Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas

Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas

Boletín Nº 27 · Octubre de 2013 · Colombia
Cables de
Media Tensión aislados
para instalaciones aéreas
UN DESARROLLO EN CONJUNTO DE:
Fotografía cortesía de CODENSA S.A. ESP
Editorial
Comprometidos bajo una imperante
Boletín Nº 27 · Octubre de 2013 · Colombia
filosofía de seguridad.
Cables de
Media Tensión aislados
para instalaciones aéreas
UN DESARROLLO EN CONJUNTO DE:
Fotografía cortesía de CODENSA S.A. ESP
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La seguridad es el valor central que guía nuestro desempeño.
Como principal filosofía de General Cable, nuestro objetivo es
esforzarnos al máximo por alcanzar un nivel de seguridad sobresaliente y brindar los recursos, educación, capacitación y
herramientas necesarios para reducir cualquier riesgo. Con el
ánimo de lograr un ambiente seguro y saludable para todos,
trabajamos en equipo para erradicar y supervisar todas las condiciones que puedan causar lesiones o enfermedades laborales.
A continuación los pilares que sostienen nuestra filosofía de seguridad:
·“Cero y Más Aún” significa integrar la seguridad en todos los aspectos de nuestra vida y en todo lo que hacemos.
·El cero indica literalmente cero víctimas, cero lesiones, cero incidentes y cero
enfermedades profesionales, en casa o en nuestras comunidades.
·El símbolo del corazón representa el órgano que da y que mantiene la vida.
Su forma es un símbolo universal que representa el cuidado.
·El espacio del interior del corazón forma una figura o persona abstracta que
levanta las manos por encima de la cabeza (formando un cero). Además, visto
desde una perspectiva ligeramente superior, parece que la figura esté estirando
los brazos hacia alguien (dando la idea de “Gente cuidando gente”).
Queremos extender esta filosofía a los técnicos electricistas, quienes pueden
arriesgar sus vidas en su trabajo diario, si no tienen las precauciones suficientes.
Es por esto, que a partir de la edición Nº 27, podrán encontrar en la sección
de Seguridad (contraportada de este boletín), prácticos consejos para tener en
cuenta al momento de realizar instalaciones eléctricas, y de esta forma, contribuir
en la disminución de conductas imprudentes que originen accidentes.
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Contenido
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Cables de Media Tensión aislados
para instalaciones aéreas.
Pantallas electrostáticas y neutros concéntricos
para cables de Media Tensión.
Cables de Media Tensión aislados
para instalaciones aéreas
Procables, en compañía de CODENSA, el distribuidor de energía
líder en el país, ha desarrollado una innovadora solución en
cableado para redes eléctricas, ubicadas en zonas arborizadas.
L
os cables de Media Tensión cumplen un papel primordial en la distribución de energía eléctrica, especialmente en las áreas urbanas en donde, por efectos
técnicos o regulatorios, es necesario hacer la distribución
con cables aislados.
En zonas rurales es usual tender las redes en la configuración clásica con conductores desnudos, en cuyo caso,
el aislamiento está suministrado por el aire (para lo cual se
selecciona una distancia adecuada entre los conductores
desnudos) y por los aisladores, sobre los cuales se apoyan o
suspenden los conductores desnudos. Sin embargo, cuando este tipo de instalación es realizada en zonas arborizadas, las salidas forzadas o interrupciones del servicio son
muy frecuentes y en caso de requerir podas, las líneas deben “desenergizarse”, lo que conlleva a que esta instalación
no sea adecuada para ese tipo de zonas.
Por esta razón, desde hace algo más de dos décadas se
vienen utilizando los cables “semiaislados” o mejor denominados “cables cubiertos” (como se les designará en este
artículo), los cuales están conformados por un conductor de
configuración básica en aluminio (AAC, ACSR o AAAC), con
una serie de capas de cubrimiento (estrictamente y desde el
punto de vista eléctrico, no se consideran como aislamientos; por lo cual son conocidos como “semiaislados”, “cubiertos, “protegidos” o “ecológicos).
Las bondades del cable cubierto consisten en que se disminuye sustancialmente la distancia requerida entre las fases,
para que la red sea más compacta y permita la instalación
de uno o varios circuitos en el mismo poste.
Sin embargo, para efectos de seguridad de la instalación,
el cable cubierto debe tratarse como un cable desnudo, en
cuanto a las distancias de seguridad que se deben aplicar
con respecto a los seres vivos que habitan el lugar. Adicional a esto, aunque se requiere un menor grado de podas,
se deben realizar de todas formas, con cierta periodicidad.
La experiencia ha demostrado que los cables cubiertos
son una buena solución técnica, para el caso de zonas
medianamente arborizadas. En zonas donde la instalación
está localizada muy cerca de las viviendas, las distancias
de seguridad para este tipo de cables, deben considerarse
como cables desnudos. En zonas con alta contaminación
industrial o salina y en áreas densamente arborizadas, con
presencia de animales (aves, reptiles, entre otros), el cable
cubierto presenta fallas frecuentes. Es por esto, que se hace
necesario encontrar otro tipo de solución integral.
Un equipo conformado por ingenieros de Procables y
CODENSA, desarrolló un cable de Media Tensión que permite la instalación aérea del mismo, en zonas altamente arborizadas o con viviendas cercanas a la línea, que no necesita
podas de árboles. Se trata de un cable aislado tipo cuádruplex (tres fases aisladas y cableadas entre sí con un neutro
portante), que permite la reducción sustancial de las distancias de seguridad y la construcción de una red trenzada de
Media Tensión, conviviendo de forma segura con su entorno.
CABLES AISLADOS
PARA USO AÉREO
Este cable de Media Tensión (15 kV y 35 kV) aislado,
para uso aéreo, ofrece una solución técnica muy confiable, que a su vez, mejora los índices de desempeño
de una línea de distribución (tasa de salidas forzadas y
duración de las mismas), permitiendo una interacción
amigable con el medio ambiente, ya que se elimina la
poda de árboles, la muerte de animales por electrocución, y además, brinda una mayor seguridad cuando
las redes quedan cerca de las viviendas.
La construcción de este cable fue desarrollada así:
1 Conductor
El cobre, es reconocido como uno de los metales con mayor conductividad volumétrica (basados en el volumen). Sin
embargo, el aluminio es el metal con mejor conductividad
gravimétrica de la naturaleza. Lo anterior, significa que se
3
requiere la mitad del peso en aluminio que en cobre para
transportar corriente.
Dichas propiedades se evidencian en la tabla Nº 1, construida con base en la Norma ASTM B193 “Standard Test
Method for Resistivity of Electrical Conductor Materials”:
Resistividad
Densidad
ohm–mm2 /km ohm–g/m2
g/cm3
% IACS
Volúmen
Peso
100%
Cobre
17,241
0,15328
8,890
100%
Aluminio
28,172
0,07621
2,705
61.2% 201.1%
Tabla Nº 1: Comparación de conductividades entre el cobre y el aluminio.
Aunque desde el punto de vista de consideración volumétrica, el cobre es mejor conductor que el aluminio por un factor
de 1,63; el aluminio es dos veces mejor conductor que el cobre desde el punto de vista gravimétrico. Esta característica
hace que el aluminio sea el conductor superlativo para aplicaciones donde el peso sea una consideración importante,
como lo es, por supuesto en la instalación aérea.
Adicional a estas consideraciones del conductor de aluminio, hay que tener en cuenta que para optimizar el diseño
por peso, el cableado debe ser tipo compacto, es decir,
el diámetro total del conductor desnudo es mucho menor
(aproximadamente un 8%) que un tipo de cableado convencional, con lo cual, se logra una disminución en el peso de
un 3% aproximadamente.
Para evitar la migración longitudinal de agua en el conductor,
éste se fabrica con hilos bloqueadores de humedad.
2 Aislamiento
Por muchas décadas el polietileno reticulado ha sido usado
y probado con excelentes resultados en cables para Media
Tensión (e incluso alta tensión) y gracias a su densidad de
0.92 g/cm3, se convierte en un elemento suficientemente
liviano para ser considerado en uso aéreo. El polietileno usado es de tipo retardante a las arborescencias (XLPE-TR), que
ofrece una mayor vida útil con respecto al polietileno convencional (XLPE).
3 Capas semiconductoras
Las capas semiconductoras (tanto la primera como la segunda), son de tipo estándar, ya que sus características han sido
ampliamente probadas.
4 Pantalla metálica
Debido a la incidencia del peso, se puede tener una alternativa en cinta de cobre traslapada o en alambres de cobre.
Cualquiera de las dos opciones es apropiada, ya que tienen
funciones electrostáticas similares y son de peso equivalente.
En caso de usar pantalla en hilos de cobre, se aplican elementos que evitan la propagación del agua a lo largo de la
pantalla.
5 Chaqueta
Un polímero especial (de mucha menor densidad que una
chaqueta convencional de PVC), resistente a la intemperie,
de alta impermeabilidad y resistencia a la abrasión y al impacto, es muy apropiado para esta aplicación aérea. Con la
aplicación de esta chaqueta se logra una disminución en el
peso total del cable de un 7% aproximadamente, con respecto a una chaqueta de PVC normal.
6 Configuración
La configuración que mejor se adapta a estos requerimientos
es de tres conductores individuales y trenzados entre sí, con
un neutro mensajero (cuádruplex).
3
1
7 Neutro mensajero
El neutro mensajero debe cumplir con varias características
primordiales, por supuesto, la de soportar mecánicamente el
conjunto de las tres fases aisladas, ser resistente a la intemperie, tener el menor peso posible y estar en la capacidad
de soportar las corrientes de corto circuito que se presenten
en el sistema al cual está conectado. La mejor opción para
todo lo anterior, es un conductor en aleación de aluminio con
recubrimiento en polietileno, del mismo tipo de la chaqueta.
2
4
7
CONCEPTO DE GRADIENTE DE TENSIÓN
5
6
Foto Nº 2: Configuración cuádruplex.
4
Merece una consideración especial el concepto de Gradiente
de Tensión, ya que el espesor de aislamiento está directamente
involucrado con las dimensiones y el peso del cable. De esta
forma se debe encontrar un espesor de aislamiento lo suficien-
temente pequeño para minimizar el peso, pero que a su vez,
tenga un correcto funcionamiento durante la vida útil del cable,
bajo las tensiones de operación y condiciones de instalación.
El Gradiente de Tensión en un cable de Media Tensión es
el esfuerzo eléctrico al cual se ve sometido el aislamiento,
cuando el conductor está energizado a una tensión de operación y está dado por la siguiente fórmula:
G=
0,869 · V
x · log D
d
( )
G: gradiente de tensión en el punto x. x varía entre el diámetro de la primera capa
semiconductora y el diámetro del aislamiento.
V: tensión de diseño u operación entre el conductor y la pantalla metálica.
D: diámetro sobre el aislamiento.
d: diámetro sobre la primera capa semiconductora.
Para un cable de 15 kV calibre 4/0 AWG, el gradiente de
tensión es como se indica en la siguiente gráfica:
Gradiente de tensión (kV/mm)
3,0
2,5
2,50
1,91
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
1ra. S/C
-0,5
-1,0
0,0
AISLAMIENTO
1,0
2,0
3,0
2 da. S/C
4,0
5,0
6,0
Distancia desde la 1ra. S/C (mm)
S/C: Semiconductora
Se puede observar que el máximo gradiente del aislamiento
ocurre en la vecindad de la primera capa semiconductora y
en este caso es de 2.5 kV/mm.
En la actualidad, los avances tecnológicos en la fabricación
y procesamiento de los polietilenos reticulables, han evolucionado a tal punto que se pueden obtener valores del gradiente en un orden de 4 kV/mm en operación continua, sin
que esto ocasione pérdida de confiabilidad en el desempeño del cable durante su vida útil.
Bajo el anterior concepto, pueden utilizarse espesores de
aislamiento reducidos con respecto a los valores convencionales, lo cual disminuye el peso del conductor en un 9%
aproximadamente. El cable en su totalidad, puede llegar a
una reducción de peso del 18% (con respecto a un cable
convencional), y una disminución de diámetro del 9%.
Parámetros de desempeño
La configuración cuádruplex presenta una característica muy
deseable en una instalación de Media Tensión, ya que las
fases quedan a la menor distancia posible. Con esta configuración se logra una Reactancia Inductiva sustancialmente
menor que cuando las fases se encuentran separadas, por
consiguiente, las pérdidas de energía y la caída de tensión
(regulación) serán mucho menores.
La capacidad de conducción de corriente también llega a
ser un factor preponderante, puesto que para un circuito al
aire, ésta se ve altamente favorecida: en un calibre 250 kcmil, la capacidad de corriente en ducto de tres conductores
es de 250 A, mientras que en instalación al aire, la capacidad es de 355 A, ambas instalaciones a una temperatura
ambiente de 20 °C.
La configuración del neutro en AAAC recubierto, permite
que las corrientes de corto circuito sean llevadas por el mismo, sin afectar la chaqueta ni el aislamiento de las fases;
este neutro bien pudiera utilizarse para llevar fibra óptica.
Este diseño también puede ser utilizado en instalación subterránea (en ductos), ya que las fases están completamente
aisladas y el neutro se encuentra recubierto.
Instalación
Como prueba piloto, el cable de Media Tensión aéreo Procables, fue instalado en una zona rural industrial, donde la
densidad arbórea es alta y además se dificulta el acceso
peatonal y vehicular.
El resultado de esta instalación es una convivencia armónica
del cable con la naturaleza. El diseño aplicado no requiere de podas y el árbol crece, ramificándose a su alrededor
sin ocasionar salidas del circuito y que éste, a su vez, no
cause descargas eléctricas sobre el árbol.
El diseño del cable Media Tensión para uso aéreo
ofrece las siguientes ventajas comprobadas:
• Instalación en zonas arborizadas con interacción
amigable con el medio ambiente. No se requiere podas
de árboles, no causa descargas eléctricas ni a los
árboles ni a los animales.
• Excelente continuidad en el servicio o suministro de
energía eléctrica, así como una mínima o
nula salida de funcionamiento o cortes.
• Seguridad en la instalación cuando la infraestructura
eléctrica está cerca de las viviendas. Las distancias de
seguridad son mucho menores que en cables desnudos
o cubiertos. Además, ofrece una mayor seguridad a los
operadores, usuarios y transeúntes.
• Ahorro en los costos, comparado con conductores
desnudos o cubiertos.
5
Pantallas electrostáticas y neutros concéntricos
para cables de Media Tensión
Estos dos componentes del cable, cumplen una función diferente. En el siguiente artículo, se dan a
conocer los conceptos, tipos y otros aspectos importantes, para que el diseñador o especificador
del sistema eléctrico, los tenga en cuenta al momento de solicitar nuestros productos.
PANTALLA METÁLICA
L
a pantalla metálica generalmente está conformada por
cintas de cobre aplicadas helicoidalmente, alambres
de cobre o una combinación de las dos. Cuando se
usa cinta de cobre, ésta se aplica de forma helicoidal y traslapada con un espesor mínimo de 0,064 mm.
Al utilizar hilos de cobre, las condiciones mínimas de aplicación son las siguientes:
• El diámetro del alambre debe ser de 0,46 mm.
• La pantalla debe estar compuesta, como mínimo,
por 6 hilos.
• El área requerida en mm2, debe ser igual a 0,1 veces el
diámetro sobre la segunda semiconductora en mm.
La pantalla metálica cumple la función de suministrar el potencial de referencia o tierra a la segunda semiconductora.
A su vez, permite drenar o llevar las corrientes de fuga a
tierra que provienen del conductor a través del aislamiento.
La finalidad de los componentes con respecto al campo
eléctrico se indica en la figura Nº 1, donde se representa, a
través de las flechas, que el campo comienza de forma radial y perpendicular a la superficie externa de la primera semiconductora y termina también de forma radial y perpendicular en la superficie interna de la segunda semiconductora.
Con lo anterior, el campo eléctrico estará totalmente dentro
del aislamiento de forma radial y homogénea, permitiendo
que los esfuerzos eléctricos dentro del aislamiento sean homogéneos, graduales y adecuados para el correcto funcionamiento del cable de Media Tensión.
En la tabla Nº 1 se presenta un comparativo entre una pantalla
metálica de cinta y una pantalla metálica de alambres.
NEUTRO CONCÉNTRICO
Cuando se requiere manejar corrientes de neutro o un sistema que soporte corrientes de corto circuito, es usual aplicar
alambres de cobre con un área y conductividad adecuadas.
Este concepto se conoce como “Neutro Concéntrico”.
Dependiendo de la conductividad requerida, se puede
solicitar:
• Neutro concéntrico del 33%
• Neutro concéntrico del 100%
Parámetro
Figura Nº 1. Campo eléctrico concentrado en el aislamiento, de forma
radial y homogénea.
6
Pantalla
Cinta
Hilos
Conectividad
Moderada dificultad
de la conexión a tierra
Facilidad de la conexión
de los hilos a tierra
Penetración de
la humedad
No se presentan
espacios entre la cinta
y la chaqueta exterior
Los hilos dejan vacíos
o espacios de aire
entre ellos y la chaqueta
Radio de curvatura
12 veces
8 veces
Capacidad
electrostática
Adecuada
Adecuada
Tabla Nº 1. Comparativo entre pantalla de cinta y de hilos.
De esta forma, en una configuración trifásica, al instalar tres
fases con neutro concéntrico del 33%, cada una de éstas
con una capacidad de corriente determinada y los neutros
interconectados, la capacidad de corriente de estos neutros
es aproximadamente igual a la de una de las fases.
Los neutros concéntricos del 100% son utilizados en sistemas de distribución monofásicos, los cuales no son muy
comunes en sistemas trifásicos donde se requiere reforzar la
capacidad de cortocircuito o la corriente de neutro.
C.MT 4/0 AWG Cu (B) CPR XLPE-TR 15kV 100%IL 90°C 33%NC PVC
C.MT 4/0 AWG Cu (B) CPR XLPE-TR 15kV 100%IL 90°C 100%NC PVC
En algunas oportunidades, el neutro concéntrico no se define como un porcentaje de conductividad de la fase, sino
como un área determinada; en estos casos, el área del neutro se calcula según la capacidad de corriente que debe manejar, ya sea en períodos estables o en cortocircuito.
La tabla Nº 2 muestra una lista genérica que presenta las
normas ICEA y NTC, en cuanto a la configuración de los
alambres del neutro concéntrico, según el calibre, el metal
del conductor de fase y porcentaje de neutro.
C.MT 4/0 AWG AAC (B) CPR XLPE-TR 15kV 100%IL 90°C 33%NC PVC
Cuando se requiere bloqueo contra humedad del conductor
concéntrico, es apropiado usar los alambres con menor diámetro o calibre para minimizar los espacios de aire y de esta
forma optimizar el bloqueo de humedad.
En los conductores de la figura Nº 2 se muestran cortes de
diferentes tipos de conductores y neutro concéntrico.
% del
neutro
33%
100%
Conductor
Cantidad de alambres
Cu
Al
Calibre del conductor
(AWG o kcmil)
Calibre de cada alambre AWG
16
14
12
10
2
1
1/0
2/0
9
11
6
7
-
-
1/0
-
3/0
4/0
14
17
9
11
6
7
-
2/0
3/0
4/0
250
350
2
1
1/0
2/0
3/0
4/0
250
350
500
600
750
1/0
2/0
3/0
4/0
250
350
18
20
22
28
26
-
11
13
14
18
21
25
29
30
16
20
25
32
-
7
8
9
11
13
16
18
19
24
10
13
16
20
25
32
6
7
9
10
12
12
15
10
13
16
20
Tabla Nº 2. Configuración de los alambres del neutro concéntrico.
C.MT 4/0 AWG AAC (B) CPR XLPE-TR 15kV 100%IL 90°C 100%NC PVC
Figura Nº 2. Construcción conductores con neutro concéntrico.
La pantalla (en hilos o cinta) junto con las dos capas semiconductoras, cumplen la función de apantallamiento electrostático, es decir, confinan el campo eléctrico en el aislamiento. Además, ofrecen una operación segura al estar
conectadas apropiadamente a tierra.
Por otra parte, la pantalla sirve para drenar la corriente de
fuga que fluye desde el conductor hacia la tierra; cuando
se requiere flexibilidad y menores radios de curvatura, se
prefiere la pantalla en hilos de cobre.
Si además de cumplir con las funciones electrostáticas de
apantallamiento y de drenaje de corriente de fuga, se requiere una circulación de corrientes de neutro, la configuración
de neutro concéntrico (conformado por hilos o alambres de
cobre), permite una conductividad apropiada mucho mayor
que la de una pantalla.
7
¡Nuestro compromiso ambiental también puede ser el suyo!
¡Cuidemos el medio ambiente
y prevengamos la contaminación!
De forma general, entendemos que el medio ambiente
es todo aquello que nos rodea, pero para ser más precisos, medio ambiente hace referencia al entorno que afecta
y condiciona especialmente,
las circunstancias de vida de
las personas o la sociedad.
Es todo el conjunto de valores
naturales, sociales, culturales
y su interacción con los seres
vivos, para lograr un equilibrio
y una sostenibilidad.
¿Qué es la contaminación?
La contaminación hace referencia a la presencia en el
ambiente de cualquier agente físico, químico, biológico
o combinación de varios agentes en concentraciones
que pueden ser nocivas o perjudiciales para la salud, la
seguridad y el bienestar de todos los seres vivos.
El Lago Karachay, en Rusia,
catalogado como el lugar
más contaminado del planeta
debido a los millones de
desechos que recibe de una
central nuclear.
Como consecuencia de la contaminación se presentan
cambios adversos e incorregibles sobre el medio ambiente,
como el calentamiento global, efecto invernadero, cambios
bruscos en el clima, efecto smog, lluvia ácida, grandes
desastres y demás problemáticas medioambientales que
también afectan nuestra calidad de vida.
Todos tenemos la responsabilidad de proteger el medio ambiente.
¿Cómo podemos prevenir su contaminación?
• No quemando ni talando plantas.
• Reciclando o aprovechando los residuos.
• Controlando el uso de fertilizantes y pesticidas.
• Utilizando abonos orgánicos.
• No botando basura en lugares inapropiados o no
establecidos.
• Creando y promoviendo conciencia ciudadana de
protección al medio ambiente.
• Utilizando combustibles limpios o fuentes de
energía alternas.
Fuentes:
• Consumiendo eficientemente la energía eléctrica.
• Haciendo uso racional del agua.
• Sembrando árboles y colaborando con el
mantenimiento de las áreas verdes.
• No utilizando productos que contengan
contaminantes, como CFC (desodorantes en
aerosol), gasolina con plomo, etc.
• Si se emplean vehículos automotores, revisando
periódicamente la combustión del motor para evitar
la producción de gases tóxicos.
1. http://nuestroentorno.duero-douro.com/descargas/Recopilatorioes.pdf
3. http://www.slideshare.net/tecnoanime/que-es-la-contaminacion-ambiental
SEGURIDAD
2. http://andressebastian.galeon.com/
4. http://www.slideshare.net/Albypg/cmo-prevenir-la-contaminacin-ambiental
Procables, una empresa General Cable, se preocupa
por la seguridad de los técnicos electricistas de Colombia,
por eso le recuerda:
Cuando esté verificando el lugar de trabajo, no olvide que todas las
personas que van a ejecutar la instalación o a trabajar con equipos
energizados, deben estar libres de cualquier objeto conductor
metálico (como hebillas de cinturón, pulseras, anillos, cremalleras).
Estos pueden aumentar el riesgo de accidente.
Fuente: Reglamento Técnicos de Instalaciones Eléctricas - RETIE
www.procables.com.co