manual completo

Manual Tcnico de Cables de Energa

ndice

Prefacio.....................................................................................................1

Generalidades ..........................................................................................2

Seccin I. Diseo Captulo 1. Seleccin de Conductores .....................................................8

Captulo 2. Comparacin de Aislamientos..............................................15

Captulo 3. Funcin de las Pantallas Elctricas......................................25

Captulo 4. Propiedades de las Cubiertas ..............................................33

Seccin II. Parmetros elctricos Captulo 5. Resistencia del Conductor....................................................36

Captulo 6. Inductancia y Reactancia Inductiva ......................................52

Captulo 7. Capacitancia y Reactancia Capacitiva .................................63

Seccin III. Operacin Captulo 8. Impedancia, Cada de Tensin y Regulacin.......................67

Captulo 9. Prdidas de Energa.............................................................83

Captulo 10. Capacidad de Conduccin de Corriente (Ampacidad) .......96

Captulo 11. Sobrecargas y Cortocircuito .............................................139

Captulo 12. Tensiones Inducidas en las Pantallas

o Cubiertas Metlicas............................................................................. 155

Seccin IV. Accesorios Captulo 13. Terminales ....................................................................... 161

Captulo 14. Empalmes ........................................................................ 167

Captulo 15. Conectores Aislados Separables ..................................... 173

Captulo 16. Indicadores de Fallas ....................................................... 181

Seccin V. Instalacin Captulo 17. Empaque, Manejo, Transporte y

Almacenaje de Cables de energa .............................................. 191

Captulo 18. Instalacin de Cables....................................................... 200

Captulo 19. Tensiones y Longitudes de Jalado................................... 234

Captulo 20. Radios Mnimos de Curvatura.......................................... 259

Captulo 21. Transiciones..................................................................... 267

Seccin VI. Pruebas Captulo 22. Pruebas de Campo y Localizacin de Fallas ................... 270

Seccin VII. Proyecto Captulo 23. Proyectos de Redes de Distribucin Subterrneas.......... 292

Prefijos y factores de conversin ............................................. 333

Prefacio

Grupo Condumex a travs de su Sector Cables se ha dedicado por ms de medio siglo a la investigacin, desarrollo, diseo y fabricacin de conductores elctricos. La innovacin tecnolgica de sus productos y servicios es reconocida en los diferentes mercados donde participa.

Apoyado por una vasta experiencia y buscando la mejora continua, Grupo Condumex reitera el

compromiso de ofrecer un concepto total de servicio al cliente.

Muestra de lo anterior es la presentacin de esta tercera edicin de nuestro Manual Tcnico de Cables de Energa, el cual, sin lugar a dudas, se ha convertido en el libro de cabecera de estudiantes, tcnicos e ingenieros que tienen que ver con el diseo e instalacin de redes elctricas en media y alta tensin, en donde los cables de energa o de potencia, como algunos los conocen, juegan un papel vital para la transmisin, subtransmisin y distribucin de la energa elctrica.

Los fundamentos tericos del diseo y operacin de los cables de energa no han cambiado a lo

largo de los aos. Sin embargo, los materiales con los que son fabricados, los diseos apoyados en diferentes normas o especificaciones y la tecnologa de manufactura han sufrido innovaciones tecnolgicas muy importantes.

El objetivo de esta nueva edicin es continuar siendo un auxiliar para todos aquellos involucrados

en la seleccin y aplicacin de cables de energa, actualizando los conceptos que han cambiado desde la ltima edicin de este trabajo, en el ao de 1985, hasta la presente edicin.

El Sector Cables de Grupo Condumex proporciona toda la asesora tcnica a sus clientes y

amigos a travs de un equipo de profesionales altamente especializados que integran la Gerencia Tcnica Comercial. Los telfonos en donde con gusto le atendern son: 5328-2963 y 5328-2964, fax: 5587-5124.

La direccin de la pgina de Internet de Grupo Condumex es: www.condumex.com

1

Generalidades Descripcin de un Cable de Energa Tpico La funcin primordial de un cable de energa aislado es transmitir energa elctrica a una corriente y tensin preestablecidas durante cierto tiempo. Es por ello que sus elementos constitutivos primordiales deben estar diseados para soportar el efecto combinado producido por estos parmetros.

Los elementos constitutivos tpicos de este cable se muestran en la figura A. 6 5 4 3 2 1

1. Conductor. 5. Pantalla metlica. 2. Pantalla semiconductora sobre

el conductor. 6. Cubierta general.

3. Aislamiento. 4. Pantalla semiconductora sobre

el aislamiento.

Figura A. Cable monoconductor de energa en media tensin (5 a 35 kV) VulcanelM.R. 2000

El cable, por su formacin final, podr ser monoconductor (figura A) o multiconductor (figura B) segn el nmero de conductores que contenga. Los cables monoconductores, una vez terminados, pueden ser reunidos en un cableado en espiral de paso largo, dando lugar a un cable en formacin trplex (figura C).

Figura B. Cable de energa VulcanelM.R. 2000 trifsico 5 a 35 kV

2


Figura C. Cable de energa VulcanelM.R. 2000 trplex 5 a 35 kV

Cuando se requiere dar proteccin mecnica adicional al cable o ser instalado en un lugar clasificado como peligroso (vase la Norma Oficial Mexicana de Instalaciones Elctricas NOM-001), se usan armaduras metlicas. La armadura ms utilizada en la industria es la engargolada, formada por cintas de acero galvanizado o aluminio. A esta armadura se le aplica una cubierta de PVC con el objeto de ofrecer una mayor proteccin contra humedad y agentes qumicos. Este tipo de cables armados se conocen como tipo MC (Metal Clad) (ver figura D).

Figura D. Cable de energa ArmanelM.R. VulcanelM.R. trifsico 5 a 35 kV

Tendencias tecnolgicas en cables de energa en media y alta tensin El constante desarrollo que ha presentado la tecnologa de estos cables est orientado al uso de nuevos materiales, mejoramiento de los procesos productivos y nuevos diseos de los productos.

En Condumex hemos integrado la ms avanzada tecnologa a nivel mundial para que nuestros

cables ofrezcan la mayor seguridad, continuidad en el servicio y ahorros de operacin y mantenimiento.

Triple Extrusin Real

A finales de los aos setenta surgieron los materiales y procesos que permitan la aplicacin del semiconductor sobre el conductor en un primer paso, y posteriormente el aislamiento y el semiconductor sobre aislamiento en un segundo paso. A este proceso se le llam triple extrusin.

La triple extrusin real es la ms avanzada tecnologa para este

proceso y Condumex fabrica sus cables con esta tecnologa desde 1992.

Con esta innovacin, los tres elementos del cable son aplicados al

mismo tiempo en una sola cabeza de extrusin, eliminando as las fallas que se presentan al utilizar el proceso triple extrusin, como son: defectos e impurezas en el semiconductor interno ocasionados por la

3


friccin durante el proceso y la exposicin al medio ambiente. Las mquinas en las que fabricamos nuestros cables tienen incorporados equipos de alta precisin para el control de dimensiones y excentricidad. Lo anterior permite el uso de todo tipo de accesorios para la terminacin y empalme de los cables sin problemas por cuestiones dimensionales.

Curado en Seco

El rea de Vulcanizacin tambin utiliza la ms alta tecnologa de curado en seco por medio de silicn o nitrgeno, reemplazando el viejo sistema de curado con vapor.

La presencia de humedad generada por el

uso de curado al vapor puede causar fallas en los cables. Existen aislamientos elctricos, en especial el polietileno de cadena cruzada (XLP), el cual desarrolla en presencia de humedad las llamadas arborescencias, que fracturan el aislamiento de un cable debido al efecto combinado de humedad y campo elctrico.

En el curado en seco la energa trmica se

obtiene por medio de resistencias elctricas localizadas a lo largo del tubo de vulcanizacin. Esta energa es transferida al nitrgeno o silicn y de ah al cable, evitando el contacto con humedad.

Los tubos de vulcanizacin de la mquina son horizontales y cuentan con la tecnologa que evita

que el cable se cuelgue dentro de ellos durante el proceso de vulcanizacin. Existen mquinas vulcanizadoras cuyos tubos de vulcanizacin son verticales. Podra pensarse que el uso de este sistema evita que el cable se cuelgue, sin embargo, si los materiales empleados y el sistema de control de estas mquinas no es el adecuado, puede obtenerse al final del proceso un cable que vare de dimetro en toda su longitud, que ocasionar problemas para la elaboracin de empalmes y terminales.

Cuartos Limpios

En Condumex siempre se ha concedido una fundamental importancia al manejo de los materiales que se utilizan en la fabricacin de cables de energa. El concepto de los cuartos limpios garantiza materias primas sin contaminacin.

Estos cuartos son recintos totalmente cerrados con acceso restringido y sistema de doble puerta.

Su ventilacin se realiza con aire filtrado para crear presin positiva en su interior. Los empaques de las materias primas slo son abiertos dentro de estos cuartos, y el personal con autorizacin de acceso usa el equipo necesario para eliminar cualquier posibilidad de contaminacin al abrir y manejar los materiales.

El manejo de los compuestos aislantes se hace por

medio de sistemas neumticos desde el cuarto limpio hasta la tolva de alimentacin de la mquina extrusora. En esta trayectoria se utilizan detectores de impurezas que eliminan cualquier contaminante que pudiera tener el compuesto aislante.

4


Nuevos Materiales

Hoy en da los compuestos aislantes de los cables de energa en media y alta tensin pueden ser de:

Polietileno de Cadena Cruzada (XLP). Polietileno de Cadena Cruzada con Retardante a las Arborescencias (XLP-TR). Polietileno Natural (Pe). Etileno Propileno (EP).

Todos ellos son fabricados con innovaciones tecnolgicas y ofrecen propiedades y caractersticas

muy similares. Las propiedades particulares de cada uno de estos compuestos son explicadas en la seccin de aislamientos de este manual.

Con respecto a los materiales semiconductores, la principal caracterstica que buscan es la de

tener una superficie ms lisa (super smooth) al momento de ser extruidos. Esto permite una interfase entre el aislamiento y los semiconductores del cable casi perfecta, logrndose una mayor confiabilidad en la operacin de los cables.

Otra caracterstica que se busca es que sean ms resistentes a la abrasin (mar resistant) y que

en especial el semiconductor externo no deje residuos sobre el aislamiento al momento de ser retirado en la confeccin de empalmes y terminales.

Finalmente, comentaremos que se ha incrementado el requisito de menores valores de identacin

de la pantalla metlica en el semiconductor externo. Lo anterior se logra con materiales de mayor grado de dureza en combinacin con maquinaria que aplique los semiconductores con un mejor control en la aplicacin.

Diseos

Con respecto a los diseos de los cables, hoy en da con una adecuada seleccin de materiales y un excelente proceso de manufactura se logran cables con aislamientos reducidos, diseo de cables hermticos, los cuales contemplan conductores bloqueados por medio de compuestos elastomricos que evitan la penetracin longitudinal del agua a travs del conductor. Adicionalmente, en la pantalla metlica se colocan cintas hinchables, las cuales proporcionan un bloqueo contra ingreso longitudinal de humedad en el cable a travs de la pantalla metlica. El concepto del bloqueo es el mismo al utilizado en los paales desechables, es decir, el material hinchable en contacto con el agua se hincha al atrapar las molculas del agua y genera un doble efecto bloqueador, por un lado atrapa la humedad y por otro, al hincharse, sella los espacios de aire que quedan entre la pantalla metlica y la cinta reunidora.

Para evitar la penetracin radial del

agua en el cable cuando se rompe la cubierta, se ha desarrollado la aplicacin en la cara interna de la cubierta de una cinta longitudinal de aluminio adherida a sta. Con lo anterior se logra un diseo

5


hermtico del cable y podemos incrementar la confiabilidad en la operacin de cables en ambientes hmedos y en aquellos lugares donde los niveles freticos sean elevados.

Recubrimiento en

cinta de aluminio para adherirse

a cubierta de PE

Cinta de aluminio aplicada longitudinalmente

con traslape (Barrera radial)

Cubierta de PE(Barrera radial)

Cinta hinchablesemiconductora

(Barrera longitudinal)

Cinta hinchablesemiconductora

(Barrera longitudinal)

ConductorSellado

(Barrera longitudinal) * *

* Estas cintas se hinchan al entrar en contacto con el agua formando un tapn.

Normatividad La evolucin de la tecnologa de fabricacin de los cables de energa en media y alta tensin se ve reflejada en las especificaciones nacionales e internacionales.

En Mxico, la Norma Mexicana NMX-J-142 Cables de Energa con pantalla metlica, aislados con

polietileno de cadena cruzada o a base de etileno propileno para tensiones de 5 kV a 115 kV - Especificaciones y Mtodo de prueba es la norma de fabricacin nacional de los cables de energa en Mxico.

La Comisin Federal de Electricidad (CFE), como entidad gubernamental responsable de todo lo

relacionado a la generacin, transmisin, distribucin y comercializacin de la energa elctrica en Mxico, ha emitido durante aos una serie de especificaciones de los materiales y equipos empleados en estos campos. Para el caso de los cables de energa en media tensin y de alta tensin, las especificaciones: CFE E 0000-16 y CFE E 0000-17 norman la construccin de los cables que adquiere e instala la CFE en sus redes elctricas.

El crecimiento de la normatividad y certificacin en nuestro pas hace que da a da se integren no

slo los particulares a este movimiento, sino tambin las entidades de gobierno. En el caso de la CFE, ha iniciado el proceso de la creacin de las Normas de Referencia (NRF), que sustituirn a las actuales especificaciones CFE E 0000. Hoy en da la norma de referencia NRF-024-CFE sustituy a la especificacin CFE E 0000 16 en cables de media tensin.

Las Normas de Referencia que utilizar la CFE estn adaptadas a los requerimientos que

establecen las Normas Oficiales Mexicanas (NOM) y las Normas Mexicanas (NMX) para los productos elctricos que amparan. Esto permite a la CFE adquirir e instalar un mayor nmero de productos a los que poda adquirir basados en sus especificaciones.

Co

Energ

6 n esto, la CFE da cumplimiento cabal a todo lo indicado en la Ley del Servicio Pblico de a Elctrica y su Reglamento en todo lo referente a la normalizacin.

Seccin I Diseo

Captulo 1

Seleccin de Conductores Son cuatro los factores principales que deben ser considerados en la seleccin de conductores: Materiales. Flexibilidad. Forma. Dimensiones. 1.1 Materiales Los materiales ms usados como conductores elctricos son el cobre y el aluminio. Aunque el cobre es superior en caractersticas elctricas y mecnicas, las caractersticas de bajo peso del aluminio han dado lugar a un amplio uso de este metal en la fabricacin de cables aislados y desnudos, teniendo su aplicacin principal en el tendido de lneas areas de media y alta tensin.

En la tabla 1.1 se comparan en forma general las principales propiedades de los metales usados en la manufactura de cables. Se han incluido en esta tabla metales que no se utilizan directamente como conductores, como el plomo, aplicado para asegurar la impermeabilidad del cable, y el acero, empleado como armadura para proteccin y como elemento de soporte de la tensin mecnica en instalaciones verticales.

En el cobre usado en conductores elctricos se distinguen tres temples o grados de suavidad del metal: suave o recocido, semiduro y duro, cada uno con propiedades diferentes, siendo el cobre suave el de mayor conductividad elctrica y el cobre duro el de mayor resistencia a la tensin mecnica (ver tabla 1.3). El cobre suave tiene las aplicaciones ms generales, ya que su uso se extiende a cualquier conductor, aislado o no, en el cual sea de primordial importancia la alta conductividad elctrica y la flexibilidad.

La principal ventaja del aluminio sobre el cobre es su menor peso (densidad 2.70 g/cm3 contra 8.89 g/cm3 del cobre). En la tabla 1.2 se comparan algunas de las caractersticas ms importantes en conductores fabricados con cobre y aluminio.

8


Tabla 1.1 Propiedades comparativas de materiales empleados en la fabricacin de cables elctricos

Densidad Temperatura de fusin

Coeficiente lineal de

dilatacin

Resistividad elctrica a 20 C

Coeficiente trmico de resistividad

elctrica a 20 C

Conductividad elctrica Metal

g / cm3 C x 10-6 / C -mm2 / km 1 / C % IACS*

Acero 7.90 1 400 13 575 115 0.0016 0.0032 3 15 Aluminio 2.70 660 24 28.264 0.00403 61.0

Cobre duro 8.89 1 083 17 17.922 0.00383 96.2

Cobre suave 8.89 1 083 17 17.241 0.00393 100

Plomo 11.38 327 29 221 0.00410 7.8

Zinc 7.14 420 29 61.1 0.00400 28.2 * IACS: International Annealed Copper Standard. Patrn internacional para el cobre suave o recocido, igual a 100% de conductividad.

Tabla 1.2 Comparacin de caractersticas entre cobre y aluminio

Caractersticas Cobre Aluminio Para igual volumen:

relacin de pesos 1.0 0.3 Para igual conductancia:

relacin de reas relacin de dimetros relacin de pesos

1.0 1.0 1.0

1.64 1.27 0.49

Para igual ampacidad: relacin de reas relacin de dimetros relacin de pesos

1.0 1.0 1.0

1.39 1.18 0.42

Para igual dimetro: relacin de resistencias capacidad de corriente

1.0 1.0

1.61 0.78

Tabla 1.3 Temples de cobre y aluminio

a) Temples de cobre

Temple Conductividad % IACS* Esfuerzo de tensin a la ruptura

kgf/mm2

Cobre suave 100 25 Cobre semiduro 96.66 35.4 40.3 Cobre duro 96.16 45.6

b) Temples de aluminio

Temple Conductividad

% IACS* (valores mnimos)

Esfuerzo de tensin a la ruptura kgf/mm2

H19 61.0 16 19 HF 61.3 11.7 15.3 HD 61.4 10.7 14.3 O 61.8 6.1 9.7

9


c) Equivalencias entre designaciones de temple de aluminio

Nombre descriptivo del temple

Clave internacional ISO

Clave EUA ANSI

duro HF H16 y H26 duro HD H14 y H24

* IACS: International Annealed Copper Standard. Patrn internacional para cobre recocido, igual a 100% de conductividad. El significado de las letras empleadas para denotar los temples que aparecen en la tabla 1.3 a) es el siguiente: H: Endurecido por tensin mecnica. Se aplica al aluminio cuyo esfuerzo es incrementado por endurecimiento mecnico, con o sin tratamiento trmico suplementario. Despus de la letra H se coloca una letra en la clave internacional (ISO) o dos o ms dgitos en la clave de EUA (ANSI). HD, HF y HG: La segunda letra indica, en orden alfabtico progresivo, el grado ascendente del esfuerzo de ruptura, desde el HA hasta el HH.

1.2 Flexibilidad La flexibilidad de un conductor se logra de dos maneras, recociendo el material para suavizarlo o aumentando el nmero de alambres que lo forman.

A la operacin de reunir varios conductores se le denomina cableado y da lugar a diferentes flexibilidades de acuerdo con el nmero de alambres que lo forman, el paso o longitud de torcido de agrupacin y el tipo de cuerda.

El grado de flexibilidad de un conductor, como funcin del nmero de alambres del mismo, se designa mediante letras que representan la clase de cableado. Las primeras letras del alfabeto se utilizan para las cuerdas ms rgidas, y las ltimas, para cuerdas cada vez ms flexibles. No hay una regla fija para decidir qu grado de flexibilidad es el ms adecuado para una determinada aplicacin, ya que con frecuencia dos o tres clases de cableado pueden ser igualmente satisfactorias para cierto cable. En la tabla 1.4 se dan recomendaciones de carcter general, tomadas de las normas ASTM.

Tabla 1.4 Clases de cableado

Clase Aplicacin AA Cable desnudo, generalmente para lneas areas

A Cable aislado, tipo intemperie, o cables desnudos que requieran mayor flexibilidad que la de la clase AA

B* Cable aislado con materiales diversos, tales como papel, hule, plstico, etc., o cables del tipo anterior que requerirn mayor flexibilidad C y D Cables aislados que requieran mayor flexibilidad que la clase B

G Cables porttiles con aislamiento de hule, para alimentacin de aparatos o similares

H Cables y cordones con aislamiento de hule que requieran mucha flexibilidad. Por ejemplo,cables que tengan que enrollarse y desenrollarse continuamente y que tengan que pasar por poleas

I Cables para aparatos especiales J Cordones para artefactos elctricos K Cables porttiles y para soldadoras elctricas

L Cordones porttiles y para artefactos pequeos que requieran mayor flexibilidad que la de las clases anteriores M Cables para soldadoras tipo portaelectrodos, para calentadores y para lmparas O Cordones pequeos para calentadores que requieran mayor flexibilidad que los anteriores P Cordones ms flexibles que en las clases anteriores Q Cordn para ventiladores oscilantes, flexibilidad mxima

*Los cables de media tensin, objeto de este manual, utilizan en su construccin conductores clase B.

10


1.3 Forma Las formas de conductores de uso ms general en cables aislados de media tensin son: Redonda. Sectorial. Segmental.

Un conductor redondo es un alambre o cable cuya seccin transversal es sustancialmente circular. Se utiliza tanto en cables monoconductores como en cables multiconductores con cualquier tipo de aislamiento. Los conductores de calibres pequeos, 8.37 mm2 (8 AWG) o menores, suelen ser alambres slidos, mientras que los de calibres mayores generalmente son cables.

Cuando los alambres son de mayor dimetro, el torcido de los mismos se efecta generalmente

en capas concntricas alrededor de un ncleo central de uno o ms alambres. El cable resultante recibe el nombre de "cable concntrico". Este cable es el ms usado, emplendose para las clases AA, A, B, C y D.

Con frecuencia es conveniente reducir el dimetro de un cable concntrico, sobre todo en calibres

grandes para disminuir sus dimensiones y obtener una superficie cilndrica uniforme, lo cual representa ventajas elctricas. Esto puede lograrse comprimiendo el cable a travs de un dado. El resultado es el cable redondo compacto.

Un conductor sectorial es formado por un cable cuya seccin transversal es un sector de crculo.

Se utiliza principalmente en cables de energa trifsicos, en calibres superiores a 53.5 mm2 (1/0 AWG). En estos cables, los conductores sectoriales implican una reduccin en la cantidad de rellenos y el dimetro sobre la reunin de las tres almas, permitiendo reducciones sustanciales en los revestimientos de proteccin.

Comparando los cables con conductores sectoriales, con los equivalentes de conductores

redondos, encontramos que los primeros presentan las siguientes ventajas: Menor dimetro. Menor peso. Costo ms bajo.

Pero tienen en cambio estas desventajas:

Menor flexibilidad. Mayor dificultad en la ejecucin de las uniones. Finalmente comentaremos que en cables de energa en alta tensin, principalmente en tensiones de 115 kV y 230 kV, se llegan a emplear los conductores segmentales para calibres de conductores arriba del 1 000 kcmil. En estos conductores los segmentos estn aislados entre s. Estos conductores tienen menor resistencia a la corriente alterna con respecto a los conductores redondos por tener un menor efecto piel que stos.

La experiencia demuestra, sin embargo, que los cables sectoriales y segmentales se pueden manejar e instalar sin dificultades. La figura 1.1 representa varias formas de conductores.

11


Figura 1.1 Formas de conductores

1.4 Dimensiones Escala AWG Desde hace aos, las dimensiones de los alambres se han expresado comercialmente por nmeros de calibres, en especial en Estados Unidos. Esta prctica ha trado consigo ciertas confusiones, debido al gran nmero de escalas de calibres que se han utilizado.

En Estados Unidos, la escala ms usada para alambres destinados a usos elctricos es la "American Wire Gage" (AWG), tambin conocida como la "Brown and Sharpe Gage". Esta escala fue ideada en 1857 por J.R. Brown y tiene la propiedad de que sus dimensiones representan aproximadamente los pasos sucesivos del proceso de estirado del alambre, adems de que sus nmeros son regresivos. Un nmero mayor representa un alambre de menor dimetro, correspondiendo a los pasos de estirado.

A diferencia de otras escalas, los calibres del "American Wire Gage" no se han escogido

arbitrariamente, sino que estn relacionados por una ley matemtica. La escala se form fijando dos dimetros y estableciendo una ley de progresin geomtrica para dimetros intermedios. Los dimetros base seleccionados son 0.4600 pulgadas (calibre 4/0) y 0.0050 pulgadas (calibre 36), existiendo 38 dimensiones entre estos dos. Por lo tanto, la razn entre un dimetro cualquiera y el dimetro siguiente en la escala est dada por la expresin:

1229.1923939 ==

Esta progresin geomtrica puede expresarse como sigue: La razn entre dos dimetros co

4600.00050.0

nsecutivos en la escala es constante e igual a 1.1229.

12


Para secciones superiores a 4/0 se define el cable directamente por rea en el sistema ingls de

nta el rea del crculo de un mil de dimetro. Tal crculo tiene un rea de 0.7854 mils cuadrados.

se emplea la unidad designada por las siglas kcmil (anteriormente e a mil circular mils.

es latinoamericanos. En s, la escala onsiste en proporcionar la medida directa de la seccin transversal de los conductores en milmetros

cual calibre en la escala milimtrica IEC.

scala

istencia a la corriente directa. El incremento en seis nmeros de calibre (verbigracia del 10 AWG al 4 AWG) duplica el dimetro. El incremento en G) multiplica rea y

peso por 10 y divide ent

Tabla 1.5 iones preferentes de cable de cobre con o red pact B)

medida. Las unidades adoptadas en Estados Unidos con este fin son:

Mil, para dimetros, siendo una unidad de longitud igual a una milsima de pulgada. Circular mil, para reas, unidad que represe

kcmil. Para secciones mayores MCM o KCM), que equival

Escala milimtrica IEC La escala de la "International Electrotechnical Commission", IEC, es la ms usada en la actualidad, con excepcin de Estados Unidos y la mayor parte de los pasc

drados. En las tablas 1.5, 1.6 y 1.7 se muestran los valores correspondientes de la escala AWG, su equivalente en mm2 y e

Hay una serie de reglas aproximadas tiles que deben recordarse y que son aplicables a la ede calibres AWG o kcmil:

1 kcmil = 0.5067 mm2. Para conversiones rpidas es aceptable la relacin: 2 kcmil = 1 mm2. El incremento de tres nmeros en el calibre (verbigracia del 10 AWG al 7 AWG) duplica el rea y

el peso, por lo tanto, reduce a la mitad la res

10 nmeros de calibre (verbigracia del 10 AWG al 1/0 AWre 10 la resistencia.

Construcc cablead ondo com o (Clase

Designacin rea de la s n

Di metroecci e r xterio

nominal Pes al

tran l sversao nomin

m 2

Nmero de alambres

A WGkcmil mm

2m mm kg/km

- 8 8.37 7 3.4 75.9 - 6 13.3 7 4.29 120.7 - 4 21.15 7 5.41 191.9 - 2 33.6 7 6.81 305 - 1 42.4 19 7.59 385

50 - 48.3 19 8.33 438 - 1/0 53.5 19 8.53 485 - 2/0 67.4 19 9.55 612

70 - 69 19 9.78 626 - 3 /0 85 19 10.74 771 - 4/0 107.2 19 12.06 972 - 250 126.7 37 13.21 1149

150 - 147.1 37 14.42 1334 - 3 00 152 37 14.48 1379 - 350 177.3 37 15.65 1609 - 400 203 37 16.74 1839

240 - 239 37 18.26 2200 - 500 253 37 18.69 2300 - 600 304 61 20.6 2760 - 750 3450 380 61 23.1 - 80 3680 0 405 61 23.8 - 10 4590 00 507 61 26.9

13


Tabl trucciones prefere able a do co Clase B)

a 1.6 Cons ntes de cmpacto (de aluminio con cable do redon

Designacin rea de la s n

Di metroecci e r xterio

nominal Pes al

tran l sversao nomin

AWG o kcmil

Nmero de alambres

mm2 mm kg/km

2 33.6 7 6.81 92.6 1/0 53.5 19 8.53 147.5 2/0 67.4 19 9.55 185.8 3/0 85 19 10.74 234.4 4/0 1 07.2 19 12.06 296 250 1 26.7 37 13.21 349 350 1 77.3 37 15.65 489 400 203 37 16.74 559 500 253 37 18.69 698 600 304 61 20.6 838 750 380 61 23.1 1050 900 456 61 25.4 1259

1000 507 61 26.9 1399

Tabla 1.7 Construcciones preferentes de los conductores de cobre con con nor primido (Clas

cableado cntrico mal y com e B)

Des cin rea de la

s n igna eccitra al nsvers

Di metrode cada alambre

Dimetro del conductor

mm

m

Nmero de

alam es brmm m2 mm2 Normal Comprimido

35 34.4 7 2.50 7.60 7.28 70 69.0 19 2.15 10.75 10.43 150 147.1 37 2.25 15.75 15.28 240 242.5 37 2.87 20.10 19.49

14

Captulo 2

Comparacin de Aislamientos La funcin del aislamiento es confinar la corriente elctrica en el conductor y contener el campo elctrico dentro de su masa. Las propiedades de los aislamientos exceden los requisitos que demanda su aplicacin, pero los efectos de la operacin, el medio ambiente, el envejecimiento, etc., pueden degradar al aislamiento rpidamente hasta el punto en que llegue a fallar, por lo que es importante seleccionar el ms adecuado para cada uso.

De manera similar al caso de los conductores, existen factores que deben ser considerados en

la seleccin de los aislamientos, como son sus: Caractersticas elctricas. Caractersticas mecnicas. 2.1 Materiales Dada la diversidad de tipos de aislamiento que existen para cables de energa, el diseador deber tener presentes las caractersticas de cada uno de ellos para su adecuada seleccin tanto en el aspecto tcnico como en el econmico.

Hasta hace algunos aos, el papel impregnado fue el aislamiento que por su confiabilidad y

economa se empleaba en mayor escala; sin embargo, la aparicin de nuevos aislamientos de tipo seco aunado al mejoramiento de algunos ya existentes, obligan al ingeniero de proyectos a mantenerse actualizado respecto a las diferentes alternativas disponibles.

Los aislamientos se pueden dividir en dos grupos principales: a) De papel impregnado. Emplea un papel especial obtenido de pulpa de madera, con celulosa

de fibra larga. El cable aislado con papel sin humedad se impregna con un aceite dielctrico para mejorar las caractersticas del aislante. Los aceites ms usuales se listan a continuacin, y su eleccin depender de la tensin de operacin y de la instalacin del cable.

Aceite viscoso. Aceite viscoso con resinas refinadas. Aceite viscoso con polmeros de hidrocarburos. Aceite de baja viscosidad. Parafinas microcristalinas del petrleo.

El aceite ocupa todos los intersticios, eliminando las burbujas de aire en el papel y evitando as la ionizacin en servicio. Por esta razn, los cables de energa con aislamientos de papel impregnado se han utilizado para instalaciones en alta y extra alta tensin en todo el mundo. El aceite podr ser migrante o no migrante, de acuerdo con el tipo de instalacin del cable; con poco desnivel (hasta 10 m) para el primer tipo y con desniveles mayores para el segundo.

15


Sus propiedades, ventajas y desventajas en comparacin con los aislamientos de tipo seco aparecen en la tabla 2.1.

b) Aislamientos de tipo seco. Los aislamientos de tipo seco son compuestos cuya resina base

se obtiene de la polimerizacin de determinados hidrocarburos. Segn su respuesta al calor se clasifican en dos tipos: Termoplsticos. Son aquellos que al calentarse su plasticidad permite conformarlos a

voluntad, recuperando sus propiedades iniciales al enfriarse, pero manteniendo la forma que se les imprimi.

Termofijos. A diferencia de los anteriores, despus de un proceso inicial similar al anterior, los subsecuentes calentamientos no los reblandecen.

Comparacin del EP vs. XLP El hule etileno propileno (EP) y el polietileno de cadena cruzada (XLP) son los principales materiales empleados en la actualidad para cables de energa, con aislamiento extruido, en media tensin. Esto no significa que los cables aislados con EP y con XLP se comporten igualmente bien y con la misma probabilidad de perdurar bajo las condiciones encontradas en operacin normal. La seleccin se debe realizar con base en una comparacin de su comportamiento en servicio, y de pruebas de laboratorio que correlacionen las exigencias de operacin y las que se presenten en su instalacin. Comportamiento en servicio Los cables aislados con XLP y EP fueron introducidos en servicio comercial en 5 kV y tensiones mayores a principios de 1961 y 1962, respectivamente. Desde entonces se han instalado muchos kilmetros de cables con ambos aislamientos.

En general, las estadsticas de servicio para los dos materiales han sido satisfactorias. La mayora de las fallas se han debido a daos mecnicos o a condiciones particulares del ambiente (presencia de agua, etc.).

Se reconoce con amplitud que la presencia de agua representa la condicin ambiental ms severa que se puede encontrar en servicio para cualquier tipo de material que se utilice como aislamiento en cables de energa.

En particular, se sabe que los cables aislados con XLP o EP, y complementados con pantalla

sobre el aislamiento a base de cintas textiles semiconductoras (diseos de hace unos 20 aos), son susceptibles a la formacin de arborescencias cuando se instalan en lugares hmedos. Las arborescencias (ver figura 2.1) son caminos conductores que se forman dentro del aislamiento y, si bien con el uso de semiconductores extruidos parece haber disminuido la incidencia de las fallas de este tipo, en pruebas de larga duracin en agua se ha encontrado que se continan desarrollando arborescencias potencialmente peligrosas.

Las arborescencias son causadas por tres factores concurrentes: Agua en el aislamiento. Tensin aplicada de corriente alterna. Irregularidades en el aislamiento (cavidades, impurezas, protuberancias en las pantallas

semiconductoras). En general, la presencia de estos tres factores causa una disminucin en la vida del cable,

que es ms pronunciada para el XLP que para el EP.

16


Arborescencia en aislamiento de papel impregnado

Arborescencias ventiladas en aislamiento extruido

Arborescencias perforando el aislamiento

Arborescencia tipo corbata de moo

Figura 2.1

Arborescencias en aislamientos

Pruebas relacionadas con la operacin La seleccin de cables aislados con EP o XLP tambin se puede basar en la comparacin del comportamiento en pruebas que simulen las condiciones de operacin normal, de sobrecarga y de sobretensiones.

La calificacin real para la tensin y temperatura de un cable debe determinarse tomando en cuenta los factores de esfuerzo que pueden estar presentes durante el servicio. Estos factores se pueden considerar en los tres grandes grupos siguientes: Factores elctricos. Factores trmicos. Factores ambientales.

En correspondencia, las pruebas de laboratorio usadas para simular las condiciones de servicio son las siguientes:

Pruebas de ruptura en tensin de corriente alterna y de impulso. Pruebas de envejecimiento bajo ciclos trmicos. Pruebas elctricas de larga duracin en agua.

El primer factor, el esfuerzo elctrico de ruptura, se evala a travs de pruebas de corto tiempo, de tal manera que las condiciones reales de servicio prcticamente no se toman en cuenta. Por el contrario, en las pruebas de envejecimiento cclico y larga duracin en agua, se combinan los factores trmicos y ambientales con los factores elctricos.

17


Pruebas de ruptura en tensin de c.a. y de impulso Un cable aislado con XLP puede soportar, a temperatura ambiente, mayores tensiones de c.a. y de impulso que el EP, a menos que contenga burbujas o cavidades de grandes dimensiones o que sus pantallas hayan sido daadas de tal forma que se desarrollen descargas parciales.

Esta situacin se invierte a medida que pasamos de la temperatura ambiente a la de operacin (90 C), sobrecarga (130 C) y cortocircuito (250 AC).

El aislamiento de XLP empieza a perder sus caractersticas de soportar tensiones de c.a. y de

impulso conforme la temperatura sobrepasa la temperatura de operacin normal de 90 C.

An ms, en el intervalo entre las temperaturas de emergencia y sobrecarga, las propiedades fsicas del XLP estn en su totalidad por debajo de aquellas de un buen aislamiento de EP.

Por otro lado, existe bastante informacin acerca de la vulnerabilidad del XLP al ataque de las

descargas parciales. En la prctica, incluso la presencia de microcavidades que no pueden ser detectadas con los equipos ms avanzados pueden reducir en ms de un 30% el esfuerzo dielctrico que pueden soportar los cables con XLP. Pruebas de envejecimiento cclico Estas pruebas constituyen el mtodo ms efectivo de laboratorio para comprobar la confiabilidad en servicio de cables de media tensin. El factor ms importante es el tiempo que tarda en presentarse la ruptura, aunque tambin deben considerarse los cambios de la tan y del nivel de descargas parciales.

Los cables con aislamiento de XLP y EP, diseados y fabricados con la construccin de

pantallas adecuadas, se comportan bien en estas pruebas, aunque el EP muestra resultados superiores a los del XLP.

En conclusin, el envejecimiento elctrico de un buen cable (libre de descargas) parece estar

gobernado por la presencia de microcavidades de dimensiones tan pequeas que no pueden ser detectadas por equipos detectores de las descargas parciales.

Cuando se prueban los cables bajo esfuerzos trmicos, debe considerarse que los cables de

energa estn diseados para tres gamas de temperatura, cada una relacionada con una duracin tpica:

Temperatura de servicio normal o continuo. Temperatura de emergencia por sobrecargas, hasta 100 h por ao. Temperatura de corto circuito, normalmente hasta de 1 seg.

Tanto los cables de energa aislados con EP como con XLP estn calificados actualmente

para temperaturas normales de 90 C en servicio continuo, 180 C en emergencias o sobrecargas y 250 C por corto circuito.

En particular, para las temperaturas ms altas debe garantizarse la estabilidad mecnica de las pantallas semiconductoras.

Como el XLP tiene un mayor coeficiente de expansin trmica que el EP, se expande y contrae

en mayor grado con los mismos cambios de temperatura que el aislamiento de EP. Esto hace que sea ms difcil lograr confiabilidad a largo tiempo en las pantallas en cables con XLP, incluso con las ms avanzadas tecnologas.

18


Cuando se combina con la superficie cerosa y deslizante del XLP, esta caracterstica de expansin trmica dificulta la confeccin de empalmes y terminales confiables en el campo. Es ms, la tendencia del XLP a deslizarse y fluir durante los ciclos trmicos extremos ha sido relacionada por algunos autores con el posible desarrollo consecuente de cavidades en los empalmes y terminales, las cuales muy probablemente sean reas para concentracin de humedad y descargas parciales.

Como se menciona en diversos artculos, el EP no exhibe el mismo grado de contraccin

longitudinal, expansin radial y caractersticas de flujo que tiene el XLP a temperaturas arriba de 100 C. Pruebas elctricas de larga duracin en agua Los cables instalados en ductos y directamente enterrados, con frecuencia se exponen a agentes, de los cuales el agua es el ms frecuente.

El agua es una severa condicin ambiental, debido a que, en su presencia, la resistencia del cable a los esfuerzos trmicos y elctricos se reduce.

La mejor manera de comprobar y predecir la probabilidad de supervivencia de un cable es una

prueba acelerada de larga duracin que simula el efecto de este ambiente sobre los cables. En esta prueba, ampliamente usada en muchos laboratorios industriales para calificar diferentes tipos de aislamiento, los cables con EP superan en todo caso a los cables con XLP, con un promedio de vida por lo menos del doble. Esta mayor resistencia al agua y al esfuerzo es otra importante razn para preferir los cables aislados con EP a los aislados con XLP.

Debido a la disminucin de las expectativas de vida en agua, es necesario, especialmente en el caso de cables con XLP, reducir tanto como sea posible las irregularidades (cavidades, inclusiones debidas a contaminaciones, etc.) Las especificaciones actuales para la manufactura de cables de energa permiten el uso de conductores con cuerdas selladas por medio de materiales elastomricos aplicados entre los hilos del conductor, para evitar el ingreso longitudinal del agua al cable a travs del conductor. Como complemento, se aplican cintas hinchables por abajo y arriba de la pantalla metlica para que, en caso de que se rompa la cubierta del cable, el agua no circule por el espacio entre la pantalla metlica y la cubierta. Algunos diseos especiales de cables emplean una cinta de aluminio adherida a la cubierta del cable por la parte interna para evitar el ingreso radial del agua al cable.

Para cables con EP es posible obtener una buena resistencia en presencia de agua a travs de

una adecuada formulacin del compuesto, por lo que, para las mismas condiciones de servicio, pueden obtenerse con facilidad tiempos de vida de 2 a 8 veces mayores que para el XLP, debido tambin a su menor sensibilidad a los contaminantes y a las imperfecciones producto de la fabricacin. Instalacin. Manejo de los cables Algunos usuarios prefieren el EP por su mayor flexibilidad, que lo hace superior al XLP al facilitar su manejo durante la instalacin. Esta preferencia se hace ms notable en el caso de cables de muy altas tensiones. La dureza de los cables de XLP de grandes dimensiones ha forzado a algunos usuarios a precalentar los extremos de los mismos en los pozos, slo para colocar el cable en posicin adecuada para empalmar. Empalmes y terminales De acuerdo con la experiencia, el acabado superficial para la preparacin de los accesorios, especialmente en el caso de accesorios encintados o premoldeados, es de fundamental importancia para el XLP, mientras que para el EP puede ser menos preciso. En pruebas de tensin

19


y vida se ha observado gran nmero de rupturas en terminales no ejecutadas adecuadamente en XLP (pequeas ondulaciones, raspaduras, cortes, etc.), o en el caso de pantallas de cintas aun con muy pequeas discontinuidades. Estos problemas nunca se han observado en terminales de cables con EP que presenten defectos similares. Este fenmeno se debe a la bien conocida vulnerabilidad del XLP a las descargas parciales originadas en puntos o cavidades sometidas a altos esfuerzos.

Otro factor en relacin con el acabado superficial es la resistencia a la absorcin de humedad;

una vez ms, la superficie raspada de cables con EP es menos peligrosa que en el caso de cables con XLP.

Conclusiones Todas las consideraciones anteriores llevan a la conclusin de que los cables aislados con EP son ms confiables en servicio que los cables aislados con XLP. En particular, pueden hacerse resaltar las siguientes ventajas del EP sobre el XLP. Definitivamente, mayor resistencia a las arborescencias en presencia de agua Resistencia a las descargas parciales (corona), aun cuando sean indetectables Mayor estabilidad del esfuerzo dielctrico con el incremento de las dimensiones del cable Mejor retencin de las propiedades fsicas y elctricas a las temperaturas de emergencia y de

cortocircuito Mayor tiempo de vida tanto en condiciones secas como bajo ciclos trmicos y en el agua Menor coeficiente de expansin trmica, lo cual conduce a una mayor estabilidad de los

sistemas de pantallas Mayor flexibilidad y facilidad de instalacin Mayor confiabilidad de los empalmes y terminales 2.2 Caractersticas Elctricas A continuacin se presentan las definiciones y conceptos relativos de las principales caractersticas que identifican a los aislamientos. La comprensin de estas definiciones permitir hacer una seleccin ms adecuada. En la tabla 2.1 se muestran los valores tpicos de estas caractersticas para los diferentes aislamientos. Rigidez dielctrica La rigidez dielctrica de un material aislante es el valor de la intensidad del campo elctrico al que hay que someterlo para que se produzca una perforacin en el aislamiento. Normalmente, este valor es cercano al del gradiente de prueba y de 4 a 5 veces mayor que el gradiente de operacin normal. Las unidades en que se expresa este valor por lo comn es kV/mm. Gradiente de operacin El gradiente o esfuerzo de tensin de operacin de un cable en cualquier punto "X" del aislamiento se calcula con la siguiente expresin:

dDdx 10log

kV/mm (2.1)

VoG 869.0=

20


Donde: Vo = tensin al neutro del sistema (en kV) D = dimetro sobre el aislamiento (en mm) d = dimetro sobre la pantalla semiconductora que est sobre el conductor (en mm)

dx = distancia a la que se desea conocer el valor del gradiente (en mm)

De la frmula anterior se puede obtener el gradiente mximo que se presenta en la parte interna del aislamiento:

d

max kV/mm (2.2)

Y el gradiente mnimo que se presenta en la parte externa del aislamiento:

Dd 10log

VoG 869.0=

dDD

Gmin10log

= kV/mm (2.3)

Resistencia de aislamiento

Vo869.0

La diferencia de potenpeq riente llamada de fuga a travs del mismo; y la resistencia que se opone al paso de

sta corriente se conoce como resistencia de aislamiento (Ra). El aislamiento perfecto sera ento , por tanto, inhibira por completo el

aso de esta corriente. El valor de Ra est dado por la siguiente expresin, por lo comn en M-km.

cial entre el conductor y la parte externa del aislamiento har circular una

uea core

nces el que tuviera una resistencia de valor infinito y quep

dpKRa 10log= M-km (2.4) da

Donde:

un valor constante caracterstico del material aislante

Tan Es tambin un factor que permite relacionar y calcular las prdidas en el dielctrico de los cables de energa y corresponde a la tangente del ngulo complementario del ngulo . Se puede observar de las definiciones anteriores que para ngulos cercanos a 90, en general es el caso de los aislamientos, el valor del factor de potencia y el de la tan es prcticamente el mismo, por lo que ambos valores se utilizan indistintamente para definir las prdidas en el aislamiento.

K =

Factor de potencia El factor de potencia permite relacionar y calcular las prdidas del dielctrico de los cables de energa.

21


Tabla 2.1 Propiedades de los aislamientos ms comnmente

usados en cables de energa (5-35 kV)

Caractersticas Vulcanel XLP Vulcanel EP Papel Impregnado

Rigidez dielctrica, kV/mm, (corriente alterna, elevacin rpida)

25 25 28

Rigidez dielctrica, kV/mm (impulsos) 50 50 70

Permitividad relativa SIC. (a 60 ciclos, a temp. de op.) 2.1 2.6 3.9

Factor de potencia, % mx. (a 60 ciclos, a temp. de op.) 0.1 1.5 1.1

Constante K de resistencia de aislamiento a 15.6 C. (M-km) mn.

6,100 6,100 1,000

Resistencia a la ionizacin Buena Muy buena Buena Resistencia a la humedad Muy buena Excelente Mala Factor de prdidas Buena Excelente Buena Flexibilidad Mala Excelente Regular Facilidad de instalacin de empalmes y terminales (problemas de humedad o ionizacin)

Regular Muy buena Regular

Temperatura de operacin normal (C) 90 90

Hasta 9 kV: 95 Hasta 35 kV: 80

Temperatura de sobrecarga (C) 130 130

Hasta 9 kV: 100 Hasta 35 kV: 100

Temperatura de cortocircuito (C) 250 250 200

Principales ventajas Bajo factor de prdidas

Bajo factor de prdidas;

flexibilidad y resistencia a la

ionizacin

Bajo costo, experiencia en el ramo, excelentes

propiedades elctricas

Principales inconvenientes Rigidez; baja resistencia a la ionizacin

Es atacable por hidrocarburos a temperaturas superiores a

60 C

Muy sensible a la penetracin de humedad, requiere tubo de plomo y

terminales hermticas

22


2.3 Caractersticas Mecnicas En un principio, el esfuerzo para el desarrollo de compuestos aislantes fue dirigido a las caractersticas elctricas. Las caractersticas mecnicas jugaban un papel secundario y estaban definidas por las propiedades intrnsecas de los materiales con que se haba logrado la eficiencia mxima en las propiedades elctricas. Tradicionalmente la proteccin mecnica era proporcionada nicamente por las cubiertas metlicas y termoplsticas o termofijas.

Los desarrollos recientes realizados con base en las causas prevalecientes de fallas en cables,

han sido enfocados a hacer resaltar las caractersticas mecnicas de los aislamientos, considerndolas junto con las de la cubierta. A continuacin se mencionan algunas de las ms importantes:

Resistencia a la humedad Los cables de energa frecuentemente entran en contacto con la humedad y el cable absorbe agua a una velocidad que queda determinada por las temperaturas del medio ambiente, la temperatura en el conductor, la temperatura en el aislamiento y la permeabilidad del aislamiento y cubierta.

El mtodo usual para cuantificar la resistencia a la penetracin de humedad es la medicin

gravimtrica de la cantidad de agua absorbida por los aislamientos despus de sumergirlos en agua caliente durante un cierto periodo.

Los aislamientos de papel resultan los ms sensibles a la absorcin de humedad, por lo que es

prcticamente imposible utilizarlos sin cubierta metlica adecuada, con las consecuentes desventajas de manejo e instalacin.

Para el caso de los aislamientos slidos que se encuentran en contacto con agua, el valor

gravimtrico de absorcin de humedad no es por s solo un ndice para calificar el comportamiento del material en presencia de humedad, sobre todo cuando al mismo tiempo se tiene un potencial aplicado en el mismo. La evidencia muestra que la absorcin de humedad es causa de fallas que se presentan en forma de ramificaciones conocidas como arborescencias (ver figura 2.1). Sin embargo, es difcil explicar por qu hay aislamientos ms resistentes que otros a las mismas, a pesar del contenido de agua. Esto es particularmente cierto al comparar el VULCANEL EP con el VULCANEL XLP. Las mediciones muestran que el agua penetra con mayor rapidez en el EP. Sin embargo, con un potencial aplicado en presencia del agua, el XLP muestra una probabilidad mayor de falla, por lo que en lugares hmedos el VULCANEL EP resulta la mejor alternativa. Flexibilidad Por supuesto que las caractersticas de flexibilidad del aislamiento deben ser compatibles con los dems elementos del cable. Por lo tanto, los conceptos que se mencionan a continuacin son aplicables al cable en general.

La flexibilidad de un cable es una de las caractersticas ms difciles de cuantificar. De hecho,

es uno de los conceptos comnmente usados para describir la construccin de un cable; sin embargo, por sorprendente que parezca, no existe un estndar de comparacin. No existe a la fecha ningn mtodo de prueba para medir el grado o magnitud de la flexibilidad.

La mejor base para evaluar la flexibilidad es a travs de las ventajas a que da lugar en los

cables de energa, que, en ltima instancia, es una manera de apreciarla. A continuacin se enuncian las ventajas de la flexibilidad: Mayor facilidad para sacar o meter el cable en el carrete, lo que minimiza la probabilidad de

dao al momento de instalar.

23


Mayor facilidad para colocar en posicin en la instalacin, especialmente en lugares estrechos.

La construccin del cable que permite dobleces y cambio de direccin en general, sin menoscabo de la integridad del mismo, conduce evidentemente a una instalacin confiable.

Un manejo sencillo de un material contribuye a que los instaladores trabajen con ms rapidez y menos esfuerzo, evitando que pongan en prctica mtodos que resultaran perjudiciales, como calentar el cable para permitir dobleces, etc.

2.4 Nivel del Aislamiento Una vez seleccionado el material apropiado para el aislamiento del cable, es necesario determinar el espesor de acuerdo con el fabricante, tomando como base la tensin de operacin entre fases y las caractersticas del sistema, segn la clasificacin siguiente: Categora I. Nivel 100% Quedan incluidos en esta clasificacin los cables que se usen en sistemas protegidos con relevadores que liberen fallas a tierra lo ms rpido posible, en un tiempo no mayor a un minuto. Este nivel de aislamiento es aplicable a la mayora de los sistemas con neutro conectado slidamente a tierra,- y puede tambin aplicarse a otros sistemas (en los puntos de aplicacin del cable) donde la razn entre la reactancia de secuencia cero y de secuencia positiva (X0/X1) no est en el intervalo de -1 a -40 y que cumplan la condicin de liberacin de falla, ya que en los sistemas incluidos en el intervalo descrito pueden encontrarse valores de tensin excesivamente altos en condiciones de fallas a tierra. Categora II. Nivel 133% Anteriormente en esta categora se agrupaban los sistemas con neutro aislado. En la actualidad se incluyen los cables destinados a instalaciones en donde las condiciones de tiempo de operacin de las protecciones no cumplen con los requisitos del nivel 100%, pero que, en cualquier caso, se libera la falla en no ms de una hora.

El nivel 133% se podr usar tambin en aquellas instalaciones donde se desee un espesor del

aislamiento mayor al 100%. Por ejemplo, cables submarinos, en los que los esfuerzos mecnicos propios de la instalacin y las caractersticas de operacin requieren un nivel de aislamiento mayor.

Categora III. Nivel 173% Los cables de esta categora debern aplicarse en sistemas en los que el tiempo para liberar una falla no est definido. Tambin se recomienda el uso de cables de este nivel en sistemas con problemas de resonancia, en los que se pueden presentar sobretensiones de gran magnitud. Los espesores de aislamiento y las tensiones de prueba para esta categora no estn normalizados, por lo que se deber consultar con el fabricante para evaluar cada caso en particular.

24

Captulo 3

Funcin de las Pantallas Elctricas Cuando se aplica una tensin entre un conductor elctrico y el plano de tierra (o entre dos conductores), el dielctrico intermedio se somete a esfuerzos elctricos. Estos esfuerzos, si son de magnitud elevada, pueden producir deterioro del material del dielctrico y producir otros efectos indeseables al no controlarse en forma adecuada. El control de estos esfuerzos se logra gracias a las pantallas elctricas.

Una definicin ampliamente aceptada de la funcin de las pantallas es la siguiente: Se aplican las pantallas elctricas en los cables de energa con el fin de confinar en forma adecuada el campo elctrico a la masa de aislamiento del cable o cables.

Las pantallas usadas en el diseo de los cables de energa tienen diferentes funciones. Dependiendo del material y su localizacin, pueden ser: Pantalla semiconductora sobre el conductor. Pantalla sobre el aislamiento. 3.1 Pantalla Semiconductora sobre el Conductor En circuitos con tensiones de 2 kV y mayores se utiliza la pantalla semiconductora a base de cintas o extruida. Los materiales usados en la fabricacin de estas pantallas dependen del diseo mismo del cable: En cables con aislamiento de papel impregnado se usan cintas de papel CB (Carbon Black). En cables con aislamiento slido se utilizan pantallas extruidas de material compatible con el

utilizado en el aislamiento.

La funcin bsica de este tipo de pantallas es evitar concentraciones de esfuerzos elctricos que se presentan en los intersticios de un conductor cableado a consecuencia de la forma de los hilos (ver figura 3.1). La inclusin de este elemento en el diseo del cable es con el fin de obtener una superficie equipotencial uniforme, a la cual las lneas de fuerza del campo elctrico sean perpendiculares.

Figura 3.1 Concentracin de esfuerzos elctricos en los intersticios de un conductor cableado

25


Otra funcin es evitar la ionizacin en los intersticios entre el conductor y el aislamiento. Si el aislamiento fuera extruido directamente sobre el conductor, la curvatura de los alambres de la corona superior dara lugar a la formacin de oquedades o burbujas de aire (ver figura 3.2a) que, al estar sujetas a una diferencia de potencial, provocaran la ionizacin del aire, con el consiguiente deterioro del aislamiento. La situacin anterior se elimina al colocar la pantalla semiconductora, la cual presenta una superficie uniforme (ver figura 3.2b).

Las pantallas sobre el conductor sirven tambin como elemento de transicin entre aqul y el aislamiento. En cables con aislamiento de papel, el impregnante en contacto con el cobre da lugar a compuestos qumicos denominados jabones metlicos, que degradan las caractersticas dielctricas en este tipo de cables. Las pantallas evitan la formacin de estos compuestos nocivos a los aislamientos.

hueco

Pantalla semiconductora

sobre el conductor

a)

b)

Figura 3.2 a) Aislamiento extruido directamente sobre el conductor b) Cable con pantalla semiconductora sobre el conductor

3.2 Pantalla sobre el Aislamiento En circuitos de 5 kV (ver excepciones, seccin 3.4) y mayores se utilizan pantallas sobre el aislamiento que, a su vez, se subdividen en: Pantalla semiconductora. Pantalla metlica.

En conjunto, las funciones de las pantallas sobre el aislamiento son:

a) Crear una distribucin radial y simtrica de los esfuerzos elctricos en la direccin de

mxima resistencia del aislamiento Los cables de energa, bajo el potencial aplicado, quedan sometidos a esfuerzos elctricos radiales, tangenciales y longitudinales. Los esfuerzos radiales estn siempre presentes en el aislamiento de los cables energizados. El aislamiento cumplir su funcin en forma eficiente si el campo elctrico se distribuye uniformemente. Una distribucin no uniforme conduce a un incremento de estos esfuerzos en porciones del cable, con el consecuente deterioro. En la figura 3.3 se puede observar cmo se distorsiona el campo elctrico por la cercana de otros conductores o por una referencia a tierra cercana, como puede ser una canalizacin elctrica, tuberas metlicas, hilos de tierra, etc.

Esfuerzos tangenciales y longitudinales. Uno de los principios bsicos de los campos elctricos es que al aplicar una tensin a dielctricos colocados en serie con diferente permitividad relativa, K1 K2, sta se dividir en razn inversa a las permitividades relativas de ambos materiales.

26


a b

Figura 3.3 Distorsin del campo elctrico a) por efecto de la presencia de otros conductores b) por presencia de una referencia a tierra

En el caso de cables de energa desprovistos de pantalla, la cubierta y el medio que rodean al

cable forman un dielctrico en serie con el aislamiento. Una porcin de la tensin aplicada se presentar en este dielctrico, la cual ser igual al potencial que se presentar en la superficie del aislamiento. Esta tensin superficial podra alcanzar el potencial del conductor, si el del dielctrico, cubierta y medio ambiente es de gran magnitud, y/o el potencial de tierra, cuando la superficie del aislamiento est cerca de secciones aterrizadas (ver figura 3.4).

EEE

a) b) c)

Figura 3.4 a) Cable sin pantalla b) Cable con pantalla aterrizada c) Cable con pantalla no aterrizada

27


Las diferentes tensiones superficiales que se presentan a lo largo del aislamiento incrementan los esfuerzos tangenciales y longitudinales que afectan la operacin del cable. Los esfuerzos tangenciales estn asociados con campos radiales no simtricos y ocurren en cables multiconductores cuando cada uno de los conductores no est apantallado, y en cualquier cable monopolar sin pantalla.

Los esfuerzos longitudinales no necesariamente estn asociados con campos radiales

asimtricos, y siempre lo estn con la presencia de tensiones superficiales a lo largo del cable.

El contacto ntimo de la pantalla semiconductora con el aislamiento, la conexin fsica adecuada de la pantalla metlica a tierra y, en general, la correcta aplicacin de las pantallas sobre el aislamiento, aseguran la eliminacin de los esfuerzos longitudinales y tangenciales.

b) Proveer al cable de una capacitancia a tierra uniforme Los cables que se instalan en ductos o directamente enterrados por lo general pasarn por secciones de terreno hmedo y seco o por ductos de caractersticas elctricas variables. Esto da como resultado una capacitancia a tierra variable y, como consecuencia, una impedancia no uniforme.

Cuando se presentan en el sistema ondas de sobretensin debidas a descargas atmosfricas y operaciones de maniobra, viajan a travs del cable producindose reflexiones en los puntos de variacin de impedancia, lo que da lugar a ondas de sobretensin que producirn fallas en el cable.

Al colocar las pantallas sobre el aislamiento, se tendrn las siguientes ventajas en el cable: Presentar una impedancia uniforme, evitando reflexiones y eliminando la posibilidad de producir

sobretensiones dainas al aislamiento. Proveer al cable de la mxima capacitancia del conductor a tierra y, consecuentemente, reducir al

mnimo las ondas de sobretensin. Absorber energa de las ondas de sobretensin al inducir en la pantalla una corriente proporcional

a la del conductor. Reducir el peligro de choque elctrico al personal y proveer un drenaje adecuado a tierra de las

corrientes capacitivas. c) Reducir el peligro de descargas elctricas al personal o en presencia de productos inflamables Como se explic con anterioridad, cuando la superficie externa del aislamiento de los cables (exenta de las pantallas) no est en contacto con tierra a lo largo de la trayectoria de instalacin, se puede presentar una diferencia de potencial considerable entre la cubierta del cable y tierra. Este fenmeno es una situacin peligrosa, debido a las siguientes razones: El contacto del personal con la cubierta puede dar lugar a un choque elctrico que pudiera incluso

causar la muerte, si las corrientes de carga de una longitud considerable de cable se descargaran sbitamente en el punto de contacto. La pantalla aterrizada de modo adecuado proporciona la trayectoria necesaria para estas corrientes capacitivas.

Aunque el contacto que se tuviera con la cubierta no fuera letal, el choque elctrico puede dar lugar a cadas y accidentes de gravedad.

La diferencia de potencial pudiera superar la rigidez dielctrica del aire y producir descargas, que en presencia de materiales combustibles o explosivos seran de caractersticas desastrosas.

28


Por otra parte, cuando se tiene el sistema adecuado de pantallas, se deber buscar siempre que operen a los potenciales lo ms cerca a tierra como se pueda. Las situaciones de peligro que se derivan de no observar esta prctica resultan an ms crticas, desde el punto de vista de la seguridad, que las que ocasionan los cables sin pantalla. El potencial que se induce en la pantalla en longitudes considerables puede alcanzar valores muy cercanos al potencial del conductor, lo que da lugar a una condicin ms peligrosa. Por lo tanto, la conexin fsica a tierra de las pantallas, en dos o ms puntos, es una prctica que deber observarse con especial cuidado.

Figura 3.5 Capacitancia variable a tierra debido a una impedancia

no uniforme

3.2.1 Pantalla Semiconductora sobre el Aislamiento La pantalla semiconductora sobre el aislamiento se encuentra en contacto inmediato con ste. Est formada por un material semiconductor compatible con el material del aislamiento. En adicin a las funciones descritas, esta pantalla asegura el contacto ntimo con el aislamiento, aun en el caso de movimiento de la pantalla metlica.

La pantalla semiconductora sobre el aislamiento, para cables con aislamiento seco, puede estar constituida por una capa de material termoplstico o termofijo semiconductor, o bien, por cinta semiconductora y/o barniz semiconductor. Para cables aislados con papel impregnado en aceite se emplean cintas de papel Carbn Black semiconductoras. 3.2.2 Pantalla Metlica La pantalla metlica puede constar de alambres, cintas planas o corrugadas o combinacin de alambre y cinta. En el caso de cables aislados con papel, la cubierta de plomo hace las veces de la pantalla. El diseo de la pantalla metlica se debe efectuar de acuerdo con el propsito de diseo, que puede ser: Para propsitos electrostticos. Para conducir corriente de falla. Como pantalla neutro.

29


3.3 Seleccin de la Pantalla Metlica A continuacin se presentan las caractersticas de seleccin de acuerdo con cada propsito de diseo: a) Pantalla para propsitos electrostticos Estas pantallas deben ser en general de metales no magnticos y pueden estar constituidas de cintas, alambres, o bien pueden ser cubiertas metlicas (plomo o aluminio). Las pantallas constituidas a base de cintas o de alambres son generalmente de cobre normal, aunque puede utilizarse en ambos casos cobre estaado; estas ltimas se utilizan donde se pudieran prever problemas graves de corrosin derivados de las condiciones de instalacin. En la tabla 3.1 se presenta el cuadro comparativo de pantallas a base de cintas con las de alambres.

Tabla 3.1 Cuadro comparativo de pantallas a base de cintas con las de alambres

Tipo de pantalla Ventajas Desventajas

A base de cintas Proporciona una pantalla

electrosttica adecuada. Reduce el ingreso de humedad

en el aislamiento.

Propiedades elctricas inconsistentes, debido a que en el manejo se afecta el traslape.

Requiere de radios de curvatura mayores que para cables con pantalla de alambres.

Construccin vulnerable durante la instalacin.

En empalmes y terminales se requiere de mayor tiempo y habilidad para ejecutar adecuadamente los cortes.

A base de alambres

Proporciona una pantalla electrosttica adecuada.

Las caractersticas elctricas de la pantalla son consistentes y controlables.

Fcilmente se incrementa la capacidad modificando el nmero de alambres.

No requiere de gran destreza para realizar cortes en empalmes y terminales.

Son menos vulnerables durante la instalacin.

Permite el paso de la humedad libremente.

Requiere precauciones para evitar desplazamiento de los alambres durante la instalacin.

b) Pantallas para conducir corriente de falla En la pantalla metlica se puede requerir una conductancia adicional para conducir corriente de falla, dependiendo de la instalacin y caractersticas elctricas del sistema, particularmente con relacin al funcionamiento de dispositivos de proteccin por sobrecorriente, corriente prevista de falla fase a tierra y la manera en que el sistema puede ser aterrizado.

c) Pantalla neutro Con las dimensiones apropiadas se puede disear la pantalla para que en adicin a las funciones descritas opere como neutro; por ejemplo, en sistemas residenciales subterrneos.

30


En lo referente a las cubiertas metlicas, stas proporcionan al cable una pantalla electrosttica adecuada, adems de la hermeticidad que se deriva de tener una cubierta continua. Esta ltima caracterstica es particularmente necesaria para los cables aislados con papel impregnado o con aislamiento slido que operan en lugares contaminados. Por otra parte, la cubierta de plomo proporciona una conductancia adicional aprovechable para conducir corriente de falla, por los espesores que se requieren desde el punto de vista mecnico.

3.4 Aplicaciones de las Pantallas Como se mencion, es necesaria la pantalla sobre el conductor en cables de 2 kV y mayores; para tensiones menores no se requiere. Tambin se mencion que cables de 5 kV y mayores requieren de pantallas sobre el aislamiento. Esto significa que dentro de los lmites de 2 kV a 5 kV inclusive, se puede no utilizar pantallas sobre aislamiento, de aqu que interviene una gran dosis de sentido comn para considerar la aplicacin de las pantallas. Es innegable que un cable con pantalla, instalado en forma apropiada, ofrece las condiciones ptimas de seguridad y confiabilidad. Sin embargo, un cable con pantalla es ms costoso y ms difcil de procurar e instalar.

A continuacin se resumen las recomendaciones de aplicaciones en que se deber hacer uso o

prescindir de las pantallas de acuerdo con las normas ICEA. Las pantallas sobre aislamiento deben ser consideradas para cables de energa arriba de 5000

volts cuando exista cualquiera de las siguientes condiciones:

Conexiones a lneas areas. Transicin a ambiente de diferente conductancia. Transicin de terrenos hmedos o secos. Terrenos secos de tipo desrtico. Tubos (conduits) anegados o hmedos. Donde se utilizan compuestos para facilitar el jalado de los cables. Donde fcilmente se depositen en la superficie del cable materiales conductores, tales como holln,

sales, etc. Donde pudieran presentarse problemas de radiointerferencia. Donde se involucre la seguridad del personal.

a) b) c)

Figura 3.6 Variantes de pantallas metlicas

a) de plomo b) de alambres de cobre c) de cintas de cobre

31


Existen situaciones donde se debe considerar el uso de cables sin pantalla, ya que en caso contrario crea graves situaciones de peligro. Ejemplo:

Cuando las pantallas no se pueden aterrizar adecuadamente. Cuando el espacio es inadecuado para terminar correctamente la pantalla. En cables monopolares:

1. Cuando se tienen cables sin empalmes en tubo (conduit) metlico areo en interiores y en lugares secos.

2. Instalados sobre aisladores en ambientes no contaminados. 3. Cables aislados en instalaciones areas sujetas a un mensajero aterrizado.

En cables trplex: 1. Instalados en tubo (conduit) areo o charolas en interiores y lugares secos. 2. Cables aislados en instalaciones areas sujetas a un mensajero aterrizado.

Conexin a tierra y terminacin de las pantallas En todas las terminaciones de los cables se deben remover completamente las pantallas y sustituir por un cono de alivio de esfuerzos adecuado. Si las pantallas no se retiran, se presentarn arqueos superficiales del conductor a los puntos de menor potencial, carbonizacin a lo largo de la pantalla y deterioro del aislamiento.

El cono de alivio es importante, ya que siempre se forma al final de la pantalla aterrizada (ver seccin de accesorios) un rea de esfuerzos concentrados.

La pantalla metlica debe operar todo el tiempo cerca de, o al potencial de tierra. La pantalla que

no tiene la conexin adecuada a tierra es ms peligrosa, desde el punto de vista de la seguridad, que el cable sin pantalla. Adems del peligro para el personal, una pantalla "flotante" puede ocasionar daos al cable. Si el potencial de dicha pantalla es tal que perfore la cubierta, la descarga resultante producir calor y quemaduras al cable.

Las pantallas deben conectarse preferentemente en dos o ms puntos. En caso de que se conecten en un solo punto, se debern tomar precauciones especiales.

Se recomienda aterrizar la pantalla en ambas terminales y en todos los empalmes. La mayor

frecuencia de conexiones a tierra reduce la posibilidad de secciones de pantalla "flotantes" y aumenta la probabilidad de una adecuada conexin a tierra de todo el cable instalado.

Todas las conexiones de la pantalla se debern realizar de tal manera que se provea al cable de una conexin segura, durable y de baja resistencia elctrica.

Existen diversas especificaciones y tratados tcnicos que indican la mxima tensin que puede

estar presente en la pantalla metlica de un cable de energa cuando sta se encuentra aterrizada en un solo punto. La Norma Oficial Mexicana de Instalaciones Elctricas NOM-001 indica que bajo esta condicin el voltaje presente en la pantalla metlica no debe exceder de 55 V.

32

Captulo 4

Propiedades de las Cubiertas

La funcin bsica de los cables de potencia puede resumirse en dos palabras: transmitir energa. Para cubrir esta funcin en forma efectiva las caractersticas del cable deben preservarse durante el tiempo de operacin.

La funcin primordial de las cubiertas en sus diferentes combinaciones es la de proteger al cable de los agentes externos del medio ambiente que lo rodea, tanto en la operacin, como en la instalacin.

4.1 Seleccin de las Cubiertas La seleccin del material de la cubierta de un cable depender de su aplicacin y de la naturaleza de los agentes externos contra los cuales se desea proteger el cable.

Las cubiertas pueden ser principalmente de los siguientes materiales: Cubiertas metlicas. El material normalmente usado en este tipo de cubiertas es el plomo y sus

aleaciones. Otro metal que tambin se emplea, aunque en menor escala, es el aluminio. Cubiertas termoplsticas. Las ms usuales son fabricadas con PVC (policloruro de vinilo) y

polietileno de alta y baja densidad. Cubiertas elastomricas. Bsicamente se utiliza el Neopreno (policloropreno), el polietileno

clorado (CPE) y el polietileno clorosulfonado o Hypalon (CP). Cubiertas textiles. En este tipo de cubiertas se emplea una combinacin de yute impregnado en

asfalto y recubierto con un bao final de cal y talco, con el fin de evitar que se adhieran las capas adyacentes.

Para definir los lmites de aplicacin de los materiales de las cubiertas o sus combinaciones, es

necesario conocer las exigencias a que pueden quedar expuestos los cables de energa por el medio ambiente de la instalacin, exigencias que se pueden dividir de la siguiente manera: Trmicas. La temperatura de operacin en la cubierta es de vital importancia, al igual que la de

los aislamientos. Sobrepasar los lmites establecidos conduce a una degradacin prematura de las cubiertas.

Qumicas. Los materiales con los que se fabrican los cables de energa son compuestos o mezclas qumicas y, como tales, su resistencia ante ciertos elementos del medio donde se instalen es previsible y muy importante de considerar para la seleccin del material de la cubierta.

Mecnicas. Los daos mecnicos a que pueden estar sujetos los cables de energa se deben, para cables en instalaciones fijas, a los derivados del manejo en el transporte e instalacin, como son: radios de curvatura pequeos, tensiones de jalado excesivas, compresin, cortes, abrasin, golpes, etc., los cuales reducen la vida del cable completo.

4.2 Propiedades En la tabla 4.1 se presentan las propiedades de las cubiertas en cuanto a los requisitos antes mencionados.

33

34

Tabl

a 4.

1 Pr

opie

dade

s de

las

cubi

erta

s

Car

acte

rstic

as

PVC

P

olie

tilen

o ba

ja

dens

idad

P

olie

tilen

o al

ta

dens

idad

N

eopr

eno

Pol

ietil

eno

clor

osul

fona

do C

P

(Hyp

alon

) y P

olie

tilen

o cl

orad

o C

PE

Pl

omo

Res

iste

ncia

a la

hum

edad

B

E

E

B

M

B E

R

esis

tenc

ia a

la a

bras

in

B

B

E

MB

MB

M

Res

iste

ncia

a g

olpe

s B

B

M

B E

E

M

Flex

ibilid

ad

B B

R

E E

R

Dob

lez

en fr

o

R

E

MB

B

R

-

Prop

ieda

des

elc

trica

s M

B E

E R

B

-

Res

iste

ncia

a la

inte

mpe

rie

MB

E+

E+

B E+

M

B

Res

iste

ncia

a la

flam

a M

B M

M

B

B

B

Res

iste

ncia

al c

alor

B

M

R

M

B E

M

B

Res

iste

ncia

a la

radi

aci

n nu

clea

r R

B

B

B

M

B E

Res

iste

ncia

a la

oxi

daci

n

E

R

R

MB

E

B

Res

iste

ncia

al o

zono

E

E

E

B

E

E

Res

iste

ncia

al e

fect

o co

rona

E

B

B

R

B

E

Res

iste

ncia

al c

orte

por

com

pres

in

B

B

B

MB

B

M

Res

iste

ncia

a

cido

s

Sul

fric

o al

30%

Sul

fric

o al

3%

Ntr

ico

al 1

0%

C

lorh

dric

o al

10%

Fosf

ric

o al

10%

E E R

B E

E E E E E

E E E E E

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

E E M

R

B R

esis

tenc

ia a

lc

alis

y s

ales

Hid

rxi

do d

e so

dio

al 1

0%

C

arbo

nato

de

sodi

o al

2%

Clo

ruro

de

sodi

o al

10%

E B E

E E E

E E E

M

R

B

R

R

B

B B B R

esis

tenc

ia a

age

ntes

qu

mic

os

org

nico

s

Ace

tona

Tetra

clor

uro

de c

arbo

no

A

ceite

s

Gas

olin

a

Cre

osot

a

M

B E B R

B B B B B

B B B B B

B M

B B M

B M

B B M

E E E E -- L

mite

s de

tem

pera

tura

de

oper

aci

n (

C)

M

nim

o

Mx

imo

-5

5 +7

5

-6

0 +7

5

-6

0 -7

5

-3

0 +9

0

-3

0 +1

05

Den

sida

d re

lativ

a 1.

4 0.

9 1.

0 1.

3 1.

2 11

.3

Prin

cipa

les

aplic

acio

nes

Uso

gen

eral

, cab

les

para

inte

riore

s y

exte

riore

s en

don

de s

e re

quie

ran

cond

icio

nes

de re

sist

enci

a al

in

cend

io

Cab

les

a la

inte

mpe

rie.

Cub

ierta

sob

re p

lom

o d

em, p

ero

cuan

do s

e re

quie

re m

ayor

resi

sten

cia

a la

abr

asi

n

Cab

les

flexi

bles

C

able

s pa

ra m

inas

C

able

s fle

xibl

es d

e al

ta c

alid

ad y

par

a ap

licac

ione

s en

indu

stria

s en

don

de e

stn

pre

sent

es d

iver

sos

agen

tes

qum

icos

.

Cab

les

con

aisl

amie

nto

de p

apel

im

preg

nado

. Cab

les

para

refin

era

s de

pe

trle

o y

plan

tas

petro

qum

icas

E

= E

xcel

ente

MB

= M

uy b

uena

B =

Bue

na

R =

Reg

ular

M =

Mal

a

+S

olo

en c

olor

neg

ro, c

onte

nido

neg

ro d

e hu

mo

Seccin II Parmetros

elctricos

Captulo 5

Resistencia del Conductor Introduccin Los parmetros de operacin de los cables aislados son de utilidad para el diseador de sistemas de distribucin de energa elctrica, ya que el conocimiento de dichos parmetros permite el estudio tcnico-econmico que sirve de base para la seleccin correcta del calibre del conductor, con base en la cada de tensin, prdidas de energa en el conductor, etc. Tambin permite determinar, para un cable ya seleccionado, el valor de la impedancia (Z), que es tan necesario en los anlisis de cortocircuito del sistema as como en el comportamiento del cable en regmenes transitorios y al efectuar las pruebas de campo y el mantenimiento correspondiente. 5.1 Resistencia a la Corriente Directa La resistencia a la corriente directa de un conductor elctrico, formado por un alambre de cualquier material, est expresada por la frmula:

ALR = (5.1) cd

En donde:

L = longitud del conductor A = rea de la seccin transversal del conductor = resistividad volumtrica del material del conductor en unidades compatibles con L y A

El valor de la resistividad por unidad de masa para el cobre suave, que ha normalizado la IACS a

0 C y 100% de conductividad es 0.15828 gr/m2. Para su aplicacin prctica, la resistividad se 2sue . valores, en diferentes unidades usadas en los clculos de ingeniera, son:

0 para usos elctricos, de acuerdo a ASTM) on ctivid C, segn IACS, son:

le dar por volumen Algunos

1.7241 -cm 0.67879 -pulgada 10.371 -cmil/pie 17.241 -mm2/km

Los valores para el aluminio grado EC (Aluminio 135

c 61% de condu ad a 20

2.828 -cm 1.1128 -pulgada 17.002 -cmil/pie 28.28 -mm2/km

36


Los valores marcados con negrita son los ms comnmente usados para el clculo de ctores elctricos.

Cuando se trata de conductores cableados, su resistencia es igual a la resistencia de cada uno de los alambres dividida entre el nmero

resistencias de condu Efecto de cableado

de ellos.

AL

nnRRcd == / km (5.2)

En donde R' y A' son la resistencia y el rea de la seccin transversal de cada alambre

spectivamente. Sin embargo, esta frmula serelongitud.

ra vlida slo si todos los alambres tuviesen la misma Como en realidad esto los ala

uperiores tienen una longitud m r efectne se puede suponer:

no es exacto, ya que las longitudes de mbres de las capas ayor, el incremento de la resistencia po o de cableado, para s

fi s prcticos,

)1( ccd kALR += / km (5.3)

En donde:

kc es el factor d cuerdas se n la tabla sistencia a la

orriente directa de los conductores usuales.

Tab de la resistencia por efecto del cableado

e cableado; los valores correspondientes para diversos tipos de 5.1, y en las tablas 5.2a y 5.2b se encuentran los valores de la reencuentran e

c

la 5.1 Incremento

Tipo de cableado kc

Redondo normal 0.020 Redondo compacto 0.020 Sectorial 0.015 Segmental 0.020

37


Tabla 5.2a Resistencia a la corriente directa a 2 C en s de cobre con cablead ncn ri

0trico normal, comp

conductoremido y compacto o co

mm2 AWG kcmil rea de la seccin

tra l nsversa(mm ) 2

Resistencia elctric inal a a nom

la c.d. (20 C, Cu suave) /km

8 8.37 2.10 6 13.30 1.322 5 16.77 1.050 4 21.15 0.832 3 26.70 0.660 2 33.60 0.523

35 34.89 0.504 1 42.41 0.415

5 0 48.30 0.364 1/0 53.50 0.329 2/0 67.43 0.261

70 69.00 0.255 3/0 85.00 0.207 4/0 107.21 0.164 250 126.70 0.139

150 300 152.01 0.116 350 177.34 0.0992 400 202.70 0.0867

240 242.50 0.0726 500 253.40 0.0694 600 3 04.02 0.0578 700 354.70 0.0496 750 380.02 0.0463 800 405.36 0.0434 1000 506.7 0.0347

Tabla 5.2b Resistencia a la corriente directa a 20 C ores de aluminio con ca o co com cto

en conduct

primido y compablead ncntrico normal,

Resistencia AWG k

rea de la seccin tran l elctr minal ica nosversa a la c 0 C, cmil (mm ) 2 .d. a 2/km

2 33.6 0.860 1/0 53.5 0.539 2/0 67.4 0.428 3/0 85.0 0.3391 4/0 107.2 0.269 250 126.7 0.228 350 177.3 0.163 500 253.4 0.114 600 304.0 0.0948 700 354.7 0.0813

1000 506.7 0.0569

5.2 Efecto de la Temperatura en la Resistencia Dentro de los lmites normales de operacin de los conductores elctricos, los nicos cambios apreciables en los materiales usados son los incrementos en la resistencia y la longitud que stos sufren en virtud de cambios en su temperatura. El ms importante (para los cables aislados) es el ambio en el valor de la resistencia, ya que el incremento en la longitud slo es importante en el caso c

38


de

Si efecturamos mediciones de la resistencia en un conductor, a distintas temperaturas, y ituramos los valore fica, obtendramos la curva ilustrada en la figura 5.1.

Figura 5.1 Variacin de la resistencia de un conductor

La resistencia R2, a

temperatura T1, distinta de cero, est dada por:

lneas areas con grandes tramos entre postes. En cables aislados bastar con usar una tcnica adecuada de instalacin que permita absorber el cambio en las dimensiones del conductor.

s s obtenidos en una gr

elctrico metlico con la temperatura

una temperatura cualquiera T2, en funcin de la resistencia R1, a una

[ ])(1 1212 TTRR += (5.4)

ea de la curva de la figura con el eje (te de la

resi riales com

stirado en fro con 100% de c

manual completo

Documents