Fallas en cables para transporte de

energíaLAS FALLAS EN LAS REDES DE DISTRIBUCIÓN DEBEN SER RÁPIDAMENTE DETECTADAS, LOCALIZADAS Y REPARADAS. LOS ENSAYOS QUE SE REALIZAN A LOS CABLES EN EL ORDEN SON LOS SIGUIENTES:

-PRUEBA DE AISLAMIENTO (CON 500 O 1000V)

-MEDICIÓN DE RESISTENCIA

-PRUEBA DE CORTO CIRCUITO

-CONVERSIÓN DE FALLO

-MEDICIÓN TDR

-PRE LOCALIZACIÓN

-LOCALIZACIÓN (GENERADOR DE AUDIOFRECUENCIA, SOBRE INTENSIDAD)

Los cables consisten de un entramado de alambres individuales que forman torones, los cuales a su vez se entrelazan para dar el cuerpo total del cable, (Figura 1). La cantidad y diámetro de alambres y torones dependen de la magnitud de la carga a izar y del diámetro de las poleas alrededor de las cuales se deben enrollar. Los alambres individuales se fabrican usualmente por trefilación, dejando microestructuras con los granos alargados en el sentido de la deformación; también es usual recubrir los alambres con otros metales que les dé por ejemplo, resistencia a la corrosión o mayor conductividad eléctrica (Figura 2).

Constitución del cable.

Conductor: los cables pueden estar constituidos por un conductor(cables monofásicos), tres (cables trifásicos), cuatro, etc. Aislamiento: capa de material dieléctrico, que aísla los conductores de distintas fases, o entre fases y tierra. Puede ser de distintos tipos, tanto de material orgánico, como inorgánico. Capa semiconductora o barniz: se emplea para homogenizar la superficie en la distribución de los conductores. Blindaje o pantalla: cubierta metálica, que recubre el cable en toda su extensión y que sirve para confinar el campo eléctrico y distribuirlo uniformemente en su interior. Chaqueta o cubierta: de material aislante muy resistente, separa los componentes de un cable del medio exterior.

CLASIFICACIÓN DE LOS MODOS DE FALLA EN CABLES DE TRANSMISIÓN DE POTENCIA

Fractura súbitaSe dice que el cable ha fallado por fractura súbita cuando todos sus alambres han colapsado mediante este mecanismo, lo cual se da al sobrepasarse en servicio su última resistencia, es decir, que se ha sobrecargado. Todos los alambres ante la carga se fracturan con la formación de un cuello cuya magnitud depende de la ductilidad del material de los alambres, obteniéndose así una fractura de tipo copa–cono o con desgarre a 45º aproximadamente, (Figuras 4 y 5).

Fractura por fatigaEn este modo de falla los alambres se van fracturando progresivamente en la medida en que se carga y descarga el cable durante su vida útil, progresando esta situación hasta que los alambres remanentes fallan de manera súbita. Sin embargo, se considera que en su conjunto el cable falla por fatiga. Los alambres fatigados rompen sin cuello, o sea, sin deformación plástica a gran escala, pudiendo darse la fractura perpendicular al eje del alambre o formando 45° con este (Figura 6). En las Figuras 7 y 8 se pueden apreciar los detalles de las superficies de fractura por fatiga de los alambres, las cuales son predominantemente planas y en algunos casos muestran las estriaciones de fatiga.La fatiga es inherente a la naturaleza de operación de los cables, ya que los procesos de carga y descarga son cíclicos y el enrollado y desenrollado del cable sobre poleas o tambores induce una flexión cíclica, lo cual llevará a la fractura progresiva de los alambres.

Desgaste del cableLos cables en movimiento son susceptibles de desgastarse como consecuencia de su paso por tambores o poleas, pero además pueden experimentar roces con otros elementos o abrasión con partículas, desencadenándose una pérdida progresiva del material de los alambres. Esta pérdida de material disminuye la resistencia a tracción del cable y su resistencia a fatiga, limitando su capacidad de carga (Kuruppu et al., 2000 y De Silva et al., 2002). El desgaste se puede dar por dos mecanismos básicos: adhesivo y abrasivo, los cuales se describen a continuación.

Desgaste adhesivoEste se da cuando durante el movimiento propio de su operación el cable roza con otros cuerpos metálicos, por ejemplo, en grúas de helicópteros puede rozar con el fuselaje o los patines del mismo, o deslizarse sobre poleas mal lubricadas, lo cual lleva a que los alambres que entran en contacto con el cuerpo exterior pierdan material superficialmente, obteniéndose la disminución de la resistencia a la tracción y a la fatiga (Figura 9).

El desgaste adhesivo también se puede presentar de manera interna en un cable, es decir, por desgaste entre los alambres, lo cual sucede cuando la lubricación del mismo no es apropiada o es inexistente. Son críticas las aplicaciones de cables que deben pasar por poleas, ya que la flexión del cable sobre este elemento lleva a que los alambres deslicen entre sí.

CorrosiónLa corrosión, al igual que el desgaste, lleva a la pérdida de material superficial de los alambres del cable, disminuyendo su resistencia a tracción y a fatiga. Se presenta cuando por acción química directa o por vía electroquímica, iones metálicos de la superficie de los alambres se desprenden para formar con otros elementos del medio un compuesto químico producto de la corrosión. Cada metal es susceptible de corroerse ante una sustancia química específica pero ante otra no; por ejemplo, lo que corroe al acero inoxidable puede no corroer al aluminio o el cobre bajo determinadas condiciones de presión, temperatura y potencial eléctrico, por lo que se deben considerar estos factores para escoger el material apropiado en la aplicación dada de un cable. La corrosión en los cables puede ser generalizada o por picadura lo que se describe a continuación.

Corrosión generalizadaEn este caso la corrosión ataca de manera relativamente homogénea la superficie de los alambres en áreas grandes sin concentrarse en una región en especial, lo cual en el tiempo va disminuyendo el diámetro de los alambres, con el agravante de que los productos de la corrosión generados (óxidos, sulfuros, cloruros, etc.) son sustancias en general más duras que el material de los alambres, lo que desencadena además la contribución del desgaste abrasivo (Figura 11a).

Corrosión por picaduraEn este caso la corrosión ataca de manera selectiva la superficie, acentuándose en zonas anódicas, y en otras zonas llamadas catódicas es menos severa, llevando a que en los puntos más atacados se generen peligrosas cavidades que disminuyen de una manera muy severa la resistencia a la tracción y a la fatiga de un cable. Un determinado metal es susceptible de corroerse por picadura ante un medio específico y ante otro no: el aluminio ante agua pura se pasiva, es inoxidable, pero en agua salada � �o ambiente salino (corrosión atmosférica cerca de las costas) puede corroerse por picadura. Las picaduras también pueden acentuarse en ambientes tipo rendija, es decir, zonas de traslapes de láminas, debajo del encauchetado de un cable, etc., ya que en estas zonas se pueden generar gradientes de concentración de especies químicas que promuevan la corrosión localizada (Figuras 11b y 11c).

Descarga eléctricaEste modo de falla se presenta en cables de conducción eléctrica, aunque también se sucede en cables de transmisión de potencia mecánica cuando operan con máquinas eléctricas (motores o generadores) que presentan problemas en los aislamientos de los bobinados. La descarga eléctrica genera temperaturas muy elevadas en los materiales de los cables en las zonas donde se generan los arcos, por ejemplo entre superficies de grieta, haciendo que se fundan o evaporen progresivamente, desembocando finalmente en la fractura del cable cuando este sea incapaz de seguir soportando la carga. Generalmente las superficies de fractura quedan total o parcialmente fundidas y en zonas aledañas se deposita parte del metal evaporado, especialmente si el cable está encauchetado. En los cables de media y alta tensión eléctrica el problema es muy frecuente ocurre cuando por un problema de corrosión o de fatiga en los alambres (ante el medio ambiente agresivo o cargas cíclicas como el viento) se generan picaduras o fracturas de alambres, lo cual lleva a que se creen pequeños arcos entre las partes separadas, retroalimentándose así el proceso de corrosión– fatiga– descarga eléctrica, hasta que el cable finalmente se fractura (Figura 12).

DeformaciónCuando sobre los cables se aplican cargas para las cuales no están diseñados, tales como de aplastamiento, momentos torsores o flectores excesivos, se generan sobre los alambres deformaciones permanentes que lo inutilizan, ya que en estas zonas deformadas disminuye su resistencia a tracción y su resistencia a fatiga (Chaplin, C.R., 1998). Las dos formas básicas de deformación que se pueden dar sobre un cable son la indentación y el doblado, los cuales se describen a continuación.

DobladoDurante el almacenamiento, la operación o el mantenimiento de un cable se pueden generar doblados del mismo, verbigracia, cuando el enrollado de un cable sobre su tambor se haga de una manera desordenada, o cuando el cable se salga de su polea o sea presionado por otro elemento, etc. Estos doblados dañan su geometría generando momentos flectores que, aunados con el daño propio de la deformación, disminuyen la resistencia a tracción y a la fatiga del mismo (Figura 14).

Fallas en cables aéreos:

Muchas veces los eventos ocurrirán sin alteración importante del flujo de carga debido a la robustez del sistema.

Los localizadores de fallas para líneas aéreas son utilizados para detectar la corriente de falla señalizando el camino más

corto desde la generación hasta la avería misma.

Protecciones de la línea

Se instala un terminal REL 511, con diversas protecciones integradas de las que utilizaremos la Protección a Distancia como principal.

La línea dispone además, de una protección diferencial compuesta por dos terminales instalados en cada final de línea (SIPROTEC 7SD610) comunicados mediante fibra óptica hasta el convertidor óptico-digital situado en cada una de las subestaciones.

-Protección a distancia(ZM1-5)

La función de protección de distancia es la función de protección más ampliamente extendida en redes de transmisión. Las razones principales para ello son las siguientes:

Su impedancia con respecto a enlaces de comunicación entre los extremos de línea, ya que para su operación, utiliza información sobre las corrientes y tensiones disponibles localmente.

La protección de distancia constituye un sistema de protección relativamente selectivo (sistema de protección no-unitario) en la red de potencia. Esto significa que puede operar también como una protección de apoyo remoto para otros elementos primarios de la red.

Principio básico de funcionamiento

En una línea L (Figura) la protección diferencial está basada en la comparación de corrientes medidas mediante transformadores de intensidad CT1 y CT2 instalados en sus extremos.

Modelos de dispositivos:

RTA - A Reposición Temporizada Automática Autorregulado.

Se instala en líneas que poseen una corriente nominal superior a los 25 A.

Indicación a falla por LED intermitente.

RTA Reposición Temporizada Automática.

El disparo es producido por un valor de corriente de cortocircuito definida.

REA – A Reposición Electrostática Automática Autorregulado.

Indicación a falla por bandera reflectante.

Las dispositivos deben estar diseñados para poder distinguir entre la corriente de falla y la corriente transitoria de desconexión

0.99990.77990.56000.34000.1200-0.1000 [s]

15.00

10.00

5.00

0.00

-5.00

-10.00

-15.00

Línea de interconexión: Phase Current A/Terminal i in kA

Línea de interconexión: Phase Current B/Terminal i in kALínea de interconexión: Phase Current C/Terminal i in kALínea de interconexión: Zero-Sequence Current/Terminal i in kA

0.99990.77990.56000.34000.1200-0.1000 [s]

15.00

10.00

5.00

0.00

-5.00

-10.00

Línea de interconexión: Phase Current A/Terminal j in kA

Línea de interconexión: Phase Current B/Terminal j in kALínea de interconexión: Phase Current C/Terminal j in kA

Línea de interconexión: Zero-Sequence Current/Terminal j in kA

Corrientes

Date: 11/14/2012

Annex: /1

DIgSILENT

TIPOS DE FALLAS

BAJA RESISTENCIA

ALTA RESISTENCIA

INTERMITENTES

CABLE INTERRUMPIDO

TIPOS DE FALLAS

TIPOS DE FALLAS

FALLA DE BAJA RESISTENCIA

El cable bajo ensayo presenta continuidad entre sus extremos o sea que la resistencia serie: R1 = 0

La resistencia de falla a tierra (R2), es muy inferior a la resistencia de aislación (Ra) de un cable en buenas condiciones.

FALLA DE ALTA RESISTENCIA

Al igual que en el caso anterior, el cable a ensayar presenta continuidad entre sus extremos (R1 = 0). La tensión de cebado de la falla a tierra, es mayor que la tensión continua de ensayo, lo que implica que al aplicar al cable, la tensión Ve, no se producirán descargas disruptivas en la falla, pero la corriente medida de pérdida (ip), toma valores que indican que la resistencia de falla a tierra (R2), es menor que la resistencia de aislación (Ra).

FALLA INTERMITENTE

Estos tipos de fallas, también son conocidos como tipo “flash”. El cable presenta continuidad entre sus extremos (R1 = 0). Al someterse al cable a la tensión de ensayo (Ve), la corriente de pérdidas medida (ip), es pequeña, lo que hace que R2 Ra.

Pero a un tiempo (t1), menor que el tiempo de ensayo (te) mínimo exigido por la norma, se producen descargas en la zona de falla, que hacen que aumente bruscamente (ip), y caiga Ve a un valor próximo a cero.

FALLA INTERMITENTE

Luego de la primera descarga, el cable puede volver a las condiciones iniciales del ensayo, y producir otras descargas muy espaciadas en el tiempo, o que la primer descarga modifique el(t1), y se produzca un aumento brusco de (ip), cada vez que la tensión de ensayo llega al valorde cebado de Vd2. (ruptura).

CABLE CORTADO

Esta falla está caracterizada por la falta de continuidad entre los extremos del conductor a ensayar, es decir que: R1 Ra.

La resistencia de falla a tierra (R2), es mayor que la resistencia de aislación (Ra), y tanto Vd1 como Vd2, son mayores que la tensión de ensayo.

Los valores de los elementos del circuito equivalente, en las figuras anteriores, pueden variar mucho,siendo totalmente independientes uno del otro.

CABLE CORTADO

Métodos de la localización del lugar de falla

REFLECTOMETRIA CONVENCIONAL

Es el método mas adecuado para la prelocalizacion en cables de energía, tanto para baja tensión o líneas aéreas.

Es el método indicado para resolver los casos de fallas tales como conductores interrumpidos, cortocircuitos,fallas de aislación de baja resistencia,determinación de empalmes.

Este método utiliza un generados de pulsos incidente de baja tensión incorporado como señal de excitación al cable bajo ensayo.

La forma de onda de la señal usada y su duracion depende del tipo de cable a ensayar, su atenuación es función de la frecuencia y su longitud.

REFLECTOMETRIA DE ALTA ENERGÍA

Permite prelocalizar fallas en cables, ya sea por el método de impulsos de alta tensión con un generador de onda de choque o por el procedimiento de relajación durante el arco, cargando el cable bajo ensayo con una fuente de alta tensión con impedancia de salida capacitiva.En este método de trabajo no se usa la generación de impulsos.

El frente de onda producido por el cebado del arco es el que viaja hacia el generador.Debido a la característica esencialmente capacitiva del mismo, la señal es reflejada nuevamente hacia la falla. El fenómeno de reflexiones se repite en tanto la tensión sea sufiente para seguir cebando la falla

El método de alta energía extiende la aplicación de las técnicas reflectometricas a la prelocalizacion de fallas de aislacion de alta resistencia y fallas intermitentes(tipo flash) y también a los casos de baja resistencia de aislación y cablelinea aérea interrumpida.

Reflectometria de alta energía

REFLEXION DE ARCO Y REFLEXION DE ARCO DIFERENCIAL

Por lejos, la más exacta y fácil de usar, la Reflexión de Arco y su extensión, la Reflexión de Arco Diferencial, se han transformado en los métodos preferidos para la localización de fallas subterráneas. Estos métodos no sólo muestran fallas, sino que también muestran la ubicación de puntos de referencia, tales como empalmes, proporcionando lo que a menudo se denomina: un mapa eléctrico del cable bajo ensayo.

 

La Reflexión de Arco permite que el TDR muestre trazas del “antes” y el “después”. La traza “antes” es el registro que no muestra la reflexión descendente de una falla de alta resistencia. El rastro “después”, es el registro que incluye la falla, aún cuando la resistencia de la falla pueda ser mayor que 200 Ohms.

Esta contradicción aparente, ocurre porque un arco en la falla, producido por el generador de impulsos, creará momentáneamente, un lazo de cortocircuito.

 

Reflectometria de alta energía

Durante este período de tiempo, los pulsos del TDR son reflejados desde el arco, y proporcionarán una reflexión descendente en la traza. Cuando un TDR es del tipo digital, el display congelará la traza que ha sido digitalizada, y los cursores podrán ser ubicados con facilidad, para leer la distancia hasta la falla de alta resistencia.

La Reflexión de Arco Diferencial, es una extensión del método de Reflexión de Arco. Con esta técnica, se provee una segunda pantalla que muestra solamente la diferencia algebraica entre las trazas de baja y la de alta tensión.

Si las dos trazas son idénticas hasta la falla, aparecerá en el display de reflexión de arco diferencial, una línea totalmente plana, y la falla, será la primera reflexión descendente.

Esto simplifica la localización de fallas, particularmente si la reflexión de la falla no está bien definida.

Reflectometria de alta energía

METODO DE IMPULSOS

Con el Método de Impulsos, el generador de ondas de choque, transmite un pulso de alta tensión que recorrerá el cable bajo pruba, haciendo que se produzca un arco en la falla. El arco produce una reflexión de energía de retorno al generador de impulsos, en forma cíclica, de ida y vuelta entre la falla y el generador, hasta que toda la energía se agote.

 

El pulso de alta tensión, produce reflexiones similares a los de un TDR. Un acoplador de corriente, capta las sucesivas reflexiones periódicas, que son capturadas y mostradas como una traza o reflectográmas en la pantalla.

Reflectometria de alta energía

DECAIMIENTO

El decaimiento es usado primariamente para localizar fallas en cables de transmisión, que requieren tensiones de ruptura (breakdown) mayores a las que proveen los generadores de impulsos típicos.

Este método prescinde del empleo de un generador de impulsos. Al aplicarse una elevada tensión de ensayo (C.C.) al cable bajo prueba, su capacitancia se carga.

La tensión será aumentada gradualmente, hasta que la falla de alta resistencia se descomponga.

Al descomponerse, la capacitancia del cable se descarga a través de la falla, y esto generará un pulso que viajará de regreso al equipo de ensayo, donde se reflejará nuevamente hacia la falla.

Cuando el pulso llega a la falla, su polaridad será invertida, y nuevamente viajará de regreso al equipo de ensayo. Estas reflexiones continuarán hasta que se disipe la energía contenida en la onda.

Un acoplador de corriente captará los transitorios, y las sucesivas reflexiones periódicas, serán capturadas y mostradas como una traza reflectométricas en la pantalla.

Para determinar la localización de la falla, se posicionan cursores en un pico y valle, sucesivos de la traza.

El analizador medirá el tiempo, y calculará la distancia a la falla, utilizando la velocidad de propagación programada.