Sesion 3 - Curso de FORMACION en Cables de Energia para Media y Alta Tension

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Sesion 3 - Curso de FORMACION en Cables de Energia para Media y Alta Tension

  1. 1. Mayo 2010 SISTEMAS DE CABLES DE ENERGÍA PARA MEDIA Y ALTA TENSIÓN 3ª Sesión Manuel Llorente http://www.leonardo-energy.org/espanol/?p=191 en ESPAÑOL
  2. 2. Índice <ul><li>Materiales aislantes </li></ul><ul><ul><li>Papel impregnado </li></ul></ul><ul><ul><li>Aislamientos poliméricos extrusionados </li></ul></ul><ul><li>Propiedades de los materiales aislantes </li></ul><ul><li>Análisis de los tipos de cables </li></ul>
  3. 3. Materiales aislantes Papel Impregnado Polímero Extrusionado <ul><li>Con mezcla no migrante </li></ul><ul><li>Con aceite fluido </li></ul><ul><li>Polietileno Reticulado (XLPE) </li></ul><ul><li>Goma Etileno Propileno (HEPR) </li></ul><ul><li>Polietileno Termoplástico de alta densidad (HDPE) </li></ul>
  4. 4. Papel impregnado con mezcla no migrante Papel Impregnado <ul><li>Con mezcla no migrante </li></ul><ul><li>Actualmente, con carácter general, han dejado de fabricarse este tipo de cables, aún cuando todavía están prestando un servicio satisfactorio muchos miles de kilómetros. </li></ul><ul><li>Estos cables aislados con papel impregnado con mezclas de aceites minerales y resinas empezaron a utilizarse para la incipiente alta tensión (10 kV) a finales del siglo XIX. </li></ul><ul><li>Su inconveniente era que, debido a la reducida viscosidad de la mezcla de impregnación, en el caso de que se produjeran fisuras en las cubiertas de plomo, se perdía mezcla. </li></ul><ul><li>Hacia los años sesenta del siglo XX se desarrollaron mezclas de alta viscosidad que obviaban este problema. </li></ul>
  5. 5. Papel impregnado con aceite fluido Papel Impregnado <ul><li>Con aceite fluido (cables OF) </li></ul><ul><li>Tanto en un tipo de mezcla de impregnación como en el otro, al utilizar tensiones cada vez más elevadas, era necesario emplear gradientes eléctricos más elevados para mantener los diámetros de los cables en dimensiones razonables. </li></ul><ul><li>Se llegó a valores del orden de los 3 kV/mm. En este caso cuando el cable entra en carga se calienta, el volumen de la mezcla aumenta deformando el tubo de plomo. Al descargarse el cable, la mezcla se enfría reduciendo su volumen. </li></ul><ul><li>Como el plomo no es elástico, aparecen vacíos en los que se presentan fenómenos de ionización, (descargas parciales) que pueden destruir el cable. </li></ul>
  6. 6. Papel impregnado con aceite fluido Papel Impregnado <ul><li>Con aceite fluido (cables OF) </li></ul><ul><li>Ionización : este problema se resolvió utilizando aceites de impregnación muy fluidos en cables que contaban con conductos que permiten el libre desplazamiento del exceso de volumen que se produce cuando el cable se calienta. Este exceso de aceite se recoge en unos depósitos de expansión, desde donde vuelve al cable cuando baja la temperatura y se reduce el volumen. </li></ul><ul><li>Con este tipo de cables se han alcanzado tensiones próximas al millón de voltios y, en España, están prestando servicio desde hace muchos años, con un comportamiento plenamente satisfactorio, cables de 400 kV, que es la máxima tensión utilizada en dicho país. </li></ul>
  7. 7. Aislamiento polimérico extrusionado <ul><li>Años 60 : desarrollo de los denominados “aislamientos secos” </li></ul><ul><li>Objetivo : métodos de instalación más sencillos y económicos, accesibles a personal menos cualificado, sin necesidad de un sellado hermético de las cubiertas y un control y mantenimiento menos exigente. </li></ul><ul><li>No se han cumplido todas estas expectativas. Algunos de estos aislamientos en contacto con el agua presentan comportamientos inadecuados a tensiones iguales o superiores a 20 kV, lo que obliga al empleo de cubiertas metálicas o barreras contra la penetración de humedad y la confección de empalmes y terminales sigue requiriendo un cuidado exquisito </li></ul>Polímero Extrusionado Resultados muy positivos durante los últimos treinta años, por lo que actualmente se considera una alternativa válida a los cables de papel impregnado
  8. 8. Polietileno Reticulado (XLPE) Polímero Extrusionado <ul><li>Polietileno Reticulado (XLPE) </li></ul><ul><li>El polietileno termoplástico (PE) fue el primer polímero en el que se depositaron grandes esperanzas en los años 60 </li></ul><ul><li> Resistencia de aislamiento, permitividad y factor de pérdidas </li></ul><ul><li> Reblandecimiento ligado a su peso molecular, esto es, a la longitud del polímero. Era necesario emplear materiales con largas cadenas de carbonos muy difíciles de conseguir en la práctica, pues al llegar a ciertas dimensiones estas cadenas se rompían haciendo imposible la fabricación de cables con temperaturas de servicio adecuadas. </li></ul>
  9. 9. Polietileno Reticulado (XLPE) Polímero Extrusionado <ul><li>Polietileno Reticulado (XLPE) </li></ul><ul><li>La tecnología logró más tarde enlazar entre si varias cadenas de polietileno de corta longitud para obtener un compuesto de elevado peso molecular y, por lo tanto, un aislamiento con una temperatura de servicio mayor con las mismas características eléctricas del polietileno termoplástico. </li></ul><ul><li>Estamos hablando del polietileno reticulado (XLPE). </li></ul><ul><li>Sus inconvenientes más destacados: presenta una cristalinidad elevada, lo que le proporciona una rigidez mecánica incomoda para el manejo del cable, y es muy sensible a la humedad. </li></ul>
  10. 10. Goma Etileno-Propileno De Alto Módulo (HEPR) Polímero Extrusionado <ul><li>Goma Etileno-Propileno De Alto Módulo (HEPR) </li></ul><ul><li>La goma etileno-propilénica también es un aislamiento extrusionado. </li></ul><ul><li>Se trata de una mezcla obtenida polimerizando los monómeros etileno-propileno o etileno-propileno-dieno, junto con otros ingredientes. </li></ul><ul><li>Uno de estos, como en el caso anterior, es un peróxido orgánico que reacciona a la temperatura de extrusión, durante el proceso de fabricación, formando enlaces cruzados y transformando el material en un elastómero. </li></ul><ul><li>Otros aditivos : una buena resistencia al agua. </li></ul><ul><li>De hecho, EPR es una denominación genérica que describe una familia de materiales, cuyo comportamiento final depende de la experiencia del fabricante. </li></ul>
  11. 11. Polietileno de Alta Densidad (HDPE) Polímero Extrusionado <ul><li>Polietileno de Alta Densidad (HDPE) </li></ul><ul><li>Goma etileno-propileno : características eléctricas sean algo inferiores a las del polietileno termoplástico o reticulado </li></ul><ul><li>Polietileno de alta densidad (HDPE) : este material se elabora por medio de un proceso de polimerización catalítica distinto al que se utiliza para la fabricación del XLPE. </li></ul><ul><li>Presenta mayor nivel de cristalinidad (sobre el 90%), una mayor densidad, un mayor módulo de elasticidad y una temperatura de reblandecimiento de 110º a 130ºC. </li></ul><ul><li>Debe contener un antioxidante y también un 10% de su peso de un líquido de alta viscosidad, que se añade como estabilizador de tensión. </li></ul>
  12. 12. Índice <ul><li>Materiales aislantes </li></ul><ul><ul><li>Papel impregnado </li></ul></ul><ul><ul><li>Aislamientos poliméricos extrusionados </li></ul></ul><ul><li>Propiedades de los materiales aislantes </li></ul><ul><li>Análisis de los tipos de cables </li></ul>
  13. 13. Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales aislantes Resistencia a la tracción, alargamiento y módulos Envejecimiento Deformación bajo una carga de compresión Dilatación térmica Esfuerzos residuales Resistividad térmica Mecánicas y Térmicas 1 2 3 4 5 6
  14. 14. Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales aislantes Resistencia a la tracción, alargamiento y módulos mecánicos Envejecimiento Mecánicas y Térmicas <ul><li>Son propiedades mecánicas básicas. Su medida se efectúa sobre especimenes moldeados y sobre muestras cortadas de cables reales. </li></ul><ul><li>Se basa en la determinación de unos parámetros previamente definidos después de un periodo de envejecimiento acelerado. Sobre esta base se define una “curva de vida”, suponiendo un nivel dado como crítico sobre cada propiedad mecánica. </li></ul>1 2
  15. 15. Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales aislantes Mecánicas y Térmicas <ul><li>Esta propiedad es importante para determinar la capacidad del aislamiento para soportar la deformación resultante de una compresión externa o de los esfuerzos mecánicos producidos al curvarse el cable en su recorrido o debido a temperaturas de sobrecarga o de cortocircuito. </li></ul><ul><li>Esta característica se expresa habitualmente en función del coeficiente de dilatación cúbica medido sobre muestras del material. </li></ul><ul><li>La medida de la dilatación del diámetro del aislamiento de los cables reales es muy importante y la tecnología de fabricación del cable influye considerablemente. </li></ul>Deformación bajo una carga de compresión Dilatación térmica 3 4
  16. 16. Propiedades mecánicas y térmicas de los materiales aislantes Mecánicas y Térmicas <ul><li>Depende de la construcción del cable y de la tecnología de la fabricación, de la longitud de la muestra, pues la fuerza de retracción viene compensada por la fricción entre la capa de aislamiento y la superficie del conductor. </li></ul><ul><li>Crece al crecer la cristalinidad del material. </li></ul><ul><li>La resistividad térmica del aislamiento, en combinación con la de las capas semiconductoras interna y externa y la resistencia térmica del contacto con la pantalla y con las protecciones metálicas determina el salto de temperatura interna del cable. </li></ul>Esfuerzos residuales (retracción del aislamiento) Resistividad térmica 5 6
  17. 17. Propiedades eléctricas de los materiales aislantes Rigidez dieléctrica Exponente de vida Resistencia a las descargas parciales Permitividad Factor de potencia o tg δ Eléctricas 1 2 3 4 5
  18. 18. Propiedades eléctricas de los materiales aislantes Rigidez dieléctrica Exponente de vida Eléctricas 1 2 <ul><li>Es la capacidad del dieléctrico para soportar los esfuerzos eléctricos aplicados al cable, tanto en condiciones de servicio normal como extraordinarias. </li></ul><ul><li>Se mide sobre muestras reales de cable, aplicando tensiones de corriente alterna progresivamente crecientes hasta alcanzar la perforación. </li></ul><ul><li>La rigidez del dieléctrico decrece lentamente a lo largo del tiempo debido a su envejecimiento térmico y eléctrico. Esto se determina efectuando ensayos de larga duración en c.a. para diferentes niveles de sobretensión y trazando una curva en función de la tensión o de la rigidez dieléctrica. El exponente de vida es la inversa de la pendiente de esa curva. </li></ul>
  19. 19. Propiedades eléctricas de los materiales aislantes Eléctricas <ul><li>Ligeras imperfecciones en los empalmes pueden provocar descargas mensurables, incluso a la tensión de servicio. </li></ul><ul><li>Sin embargo, en los cables modernos de gran calidad, las descargas que se producen presentan un valor por debajo del umbral de sensibilidad del detector. </li></ul><ul><li>Esta propiedad puede medirse fácilmente sobre muestras planas y ser verificada sobre muestras de cable. </li></ul><ul><li>Los valores típicos expresados como permitividad relativa pueden mostrar cierta variación sobre una curva representativa en función de la temperatura, aunque suele ser pequeña. </li></ul>Resistencia a las descargas parciales Permitividad 3 4
  20. 20. Propiedades eléctricas de los materiales aislantes Eléctricas <ul><li>La medida del factor de potencia de los aislamientos, generalmente se efectúa en combinación con la de la permitividad. </li></ul><ul><li>Es importante tener en cuenta los efectos de la tecnología de la fabricación. </li></ul><ul><li>Su valor puede variar en función de la temperatura, aunque poco para los buenos materiales. </li></ul>Factor de potencia o tg δ 5
  21. 21. Otras propiedades de los materiales aislantes Márgenes de temperatura Tensiones de servicio máximas admisibles Otras <ul><li>Temperatura normal o de servicio permanente. </li></ul><ul><li>Temperatura de sobrecarga o emergencia (centenares de horas a lo largo de la vida del cable) </li></ul><ul><li>Temperatura de cortocircuito, con una duración del orden de un segundo. </li></ul>500 HDPE 160 HEPR 400 XLPE Tensión más elevada (en kV) Material aislante
  22. 22. Índice <ul><li>Materiales aislantes </li></ul><ul><ul><li>Papel impregnado </li></ul></ul><ul><ul><li>Aislamientos poliméricos extrusionados </li></ul></ul><ul><li>Propiedades de los materiales aislantes </li></ul><ul><li>Análisis de los tipos de cables </li></ul>
  23. 23. Reglamento en España RD 223/2008 Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad en líneas eléctricas de alta tensión <ul><li>ITC-LAT 06 : LÍNEAS SUBTERRÁNEAS CON CABLES AISLADOS </li></ul><ul><li>ITC-LAT 08 : LÍNEAS AÉREAS CON CABLES UNIPOLARES AISLADOS REUNIDOS EN HAZ O CON CONDUCTORES RECUBIERTOS </li></ul>
  24. 24. Reglamento en España - ITC-LAT 06 RD 223/2008 ITC-LAT 06 <ul><li>Aplicable a íneas eléctricas subterráneas y a cualquier tipo de instalación distinta de las líneas aéreas, por ejemplo en galerías, en bandejas en el interior de edificios, en fondos acuáticos, etc. </li></ul><ul><li>Los cables serán aislados, de tensión asignada superior a 1 kV, y el régimen de funcionamiento de las líneas se preverá para corriente alterna trifásica de 50 Hz de frecuencia </li></ul>
  25. 25. Tipos de Cable Resistente a la humedad . Estructura de la goma. Idóneo para instalaciones subterráneas en suelos húmedos, incluso bajo el nivel freático. Adecuado para instalaciones en las que el recorrido es muy sinuoso . EPR XLPE HEPR Características eléctricas notables , tanto de pérdidas en el dieléctrico, resistividad térmica y eléctrica como rigidez dieléctrica. La posible aparición de “arborescencias” en presencia de humedad obliga a utilizar diseños con protecciones adicionales contra la penetración de humedad (hydrocatcher) Elevado gradiente eléctrico, lo que permite menores espesores de aislamiento . Temperatura de servicio de 105ºC, en lugar de 90ºC -> posibilidad de transportar más potencia Menor diámetro -> más manejable , menos pesado y fácil de transportar, menor coste
  26. 26. Tipos de Cable – Temperatura máxima Temperatura máxima asignada al conductor 105ºC para U O /U < 18/30 kV 90ºC para U O /U > 18/30 kV Etileno-propileno de alto módulo (HEPR) 250 90ºC Etileno-propileno (EPR) 250 90ºC Politeno reticulado (XLPE) Cortocircuito θ CC (t<5 s) Servicio permanente θ S Condiciones Tipo de aislamiento
  27. 27. Tipos de Cable – Tipo de Instalación Instalación enterrada Directamente enterrados en toda su longitud a 1 metro de profundidad (medido hasta la parte superior del cable), en un terreno de resistividad térmica media de 1,5 K•m/W, con una temperatura ambiente del terreno a dicha profundidad de 25ºC y con una temperatura del aire ambiente de 40ºC. Instalación al aire Instalados con una colocación tal que permita una eficaz renovación del aire, protegidos del sol, siendo la temperatura del medio ambiente de 40ºC. Por ejemplo, con el cable colocado sobre bandejas o fijado a la pared, etc. A efectos de determinar la intensidad máxima admisible, se considerará una instalación de cables con aislamiento seco hasta 18/30 kV formada por un terno de cables unipolares agrupados en contacto mutuo, instalados como se indica a continuación:
  28. 28. Tipos de Cable – Intensidad máxima para cables enterrados Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV directamente enterrados 470 600 445 560 430 540 400 410 530 390 490 375 480 300 365 470 345 440 335 425 240 315 405 295 380 285 370 185 275 360 260 340 255 325 150 245 320 235 300 225 290 120 215 280 205 265 200 255 95 180 235 170 225 165 215 70 145 190 140 180 135 175 50 125 160 120 155 115 145 35 105 135 100 130 96 125 25 Al Cu Al Cu Al Cu HEPR XLPE EPR Sección mm2
  29. 29. Tipos de Cable – Intensidad máxima para cables al aire Intensidades máximas admisibles (A) en servicio permanente y con corriente alterna. Cables unipolares aislados de hasta 18/30 kV instalados al aire. 660 840 610 790 570 740 400 565 725 520 680 490 630 300 495 630 455 590 425 550 240 415 535 385 500 360 465 185 360 465 335 435 315 405 150 320 410 295 385 275 355 120 275 355 255 335 240 310 95 225 295 210 275 195 255 70 180 230 170 220 155 205 50 150 195 145 185 130 170 35 125 160 120 155 110 140 25 Al Cu Al Cu Al Cu HEPR XLPE EPR Sección mm2
  30. 30. Reglamento en España - ITC-LAT 08 RD 223/2008 ITC-LAT 08 <ul><li>Se refiere a las prescripciones técnicas que deberán cumplir las líneas eléctricas aéreas de alta tensión con cables unipolares aislados reunidos en haz, entendiéndose como tales las de corriente alterna trifásica de 50 Hz, cuya tensión nominal sea superior a 1 kV, con una tensión nominal máxima de la red de 30 kV, según las características actuales de aislamiento de los referidos conductores. </li></ul><ul><li>En este apartado se considera de tensión de uso preferente la de 20 kV. </li></ul><ul><li>Como estos cables son idénticos a los descritos en la ITC-LAT 06, pues se trata de tres cables unipolares cableados alrededor de un fiador de acero, vale lo dicho anteriormente para los cables instalados al aire. </li></ul><ul><li>El sistema de instalación de las líneas eléctricas aéreas de la presente Instrucción será mediante red tensada sobre apoyo </li></ul>
  31. 31. Reglamento en España - ITC-LAT 08 RD 223/2008 ITC-LAT 08 <ul><li>Los cables descritos en la Instrucción ITC-LAT 08 los comercializó hace cerca de veinte años la firma PRYSMIAN (antes PIRELLI) bajo la denominación: EPRORRET HACES. </li></ul><ul><li>Estos cables destinados al transporte y distribución de energía eléctrica por medio de líneas eléctricas aisladas presentan una elevada resistencia a las descargas parciales. Como se ha dicho, están constituidos por tres cables unipolares, generalmente de aluminio, del tipo EPR, cableados sobre un núcleo central formado por una cuerda portante de acero de 50 mm2 se sección, con una carga de rotura de 6000 daN, protegida por una capa de elastómero. </li></ul><ul><li>Se elaboran en las tensiones nominales normalizadas hasta 18/30 kV y, evidentemente, se trata de cables apantallados. </li></ul>

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