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CARACTERISTICAS DECABLES DE ENERGIA DEMEDIA Y ALTA TENSION
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CLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORES
ELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOS
CABLES DE ENERGIA
CABLES PARA SEÑALIZACION YCONTROL
ALAMBRE MAGNETO
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CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA ¿Qué es un Cable de¿Qué es un Cable de
Energía? Energía?
FUNCION FUNCION
GENERACION CONSUMO
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GENERACION
GG TT TT TT13.8 kV13.8 kV20 kV20 kV
SUBTRANSMISIÓN
400 kV400 kV
230 kV230 kV115 kV115 kV
SISTEMA ELECTRICO
TRANSMISION
DISTRIBUCION EN MEDIA TENSION
DISTRIBUCIÓN EN BAJA TENSIÓN
TT
TT TT
TT
TT TT
23 kV o 13.8 kV23 kV o 13.8 kV
DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN
127 V127 V
127127VV
4.16 kV4.16 kV
220 V220 V
CONDUMEX
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COMPONENTES PRINCIPALES DE UN CABLE DE
ENERGIA
CUBIERTA
PANTALLAMETALICA
SEMICONDUCTORSOBRE AISLAMIENTO
AISLAMIENTO
SEMICONDUCTORSOBRE CONDUCTOR
CONDUCTOR
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Flujo de agua
Tubo
EL CONDUCTOR
El conductor transmite la corriente eléctrica ó la energía eléctrica de un lugar a otro.
Se puede comparar con el agujero de un tubo,que transporta el flujo de agua.
Corriente eléctrica
- A mayor área del conductor, mayor capacidad de transmisión de corriente eléctrica.- A mayor área interna del tubo, mayor capacidad de transporte de flujo de agua.
En términos generales:
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EL AISLAMIENTOSe puede comparar con la pared de un tubo, que transporta agua.
Presiónde agua
Campo ó
eléctrico
Gradiente
En términos generales:
- A mayor espesor de aislamiento, mayor soporte de voltaje.
- A mayor espesor de la pared del tubo, mayor soporte de presión.
La pared del tubo soporta
la presión del agua
Pared deltubo
Lineasequipotenciales
El aislamiento soporta el
voltaje o el campo eléctrico
Aislamiento
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LA CUBIERTA LA CUBIERTA LA CUBIERTA LA CUBIERTA
Proporciona protección contralos agentes externos: MecánicosMecánicos IntemperismosIntemperismos Agentes QuímicosAgentes Químicos
CUBIERTA
CUBIERTAS MATERIALESMetálicas ••••
•••• AluminioElastoméricas •••• Hypalon
•••• Polietileno Clorado•••• NeoprenoTermoplásticas •••• PVC
•••• Polietileno1.Alta Densidad2.Baja Densidad
Plomo••••
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ARMADURA ARMADURA ARMADURA ARMADURA
PROPORCIONA PROTECCION CONTRA DAÑOS MECACNICOS AL NUCLEO DEL CABLE
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Metal Densidad
(g / cm3)
Temperaturade fusión
(°C)
Coeficientelineal de
dilatación
(x 10-6 / °C)
Resistividadeléctrica a
20 °C
(ΩΩΩΩ-mm2 / km)
Coeficientetérmico deresistividadeléctrica a
20 °C(1 / °C)
Conductividadeléctrica(% IACS*)
Acero 7.90 1 400 13 575 – 115 0.0016 –0.0032
3 – 15
PROPIEDADES DE ALGUNOS METALES
. . . .
Cobreduro
8.89 1 083 17 17.922 0.00383 96.2
Cobresuave
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;(asigna al cobre recocido 100 % de conductividad)
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COMPARACION ENTRE
COBRE Y ALUMINIO
o re um n o
Relación de pesos de conductoresconsiderando el mismo calibre del conductor
1.0 0.3
Relación aproximada de áreas transversalesde conductores considerando la misma
capacidad de conducción de corriente
1.0 1.64
Relación aproximada de capacidades deconducción de corriente de conductoresconsiderando la misma sección transversal
1.0 0.78
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MATERIAL Y TEMPLE Conductividad
Esfuerzo de tensión a la
COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINIO(CONTINUACION)
rup ura(kgf / mm2)
COBRE SUAVE 100 25*
COBRE SEMIDURO 96.66 35.4 – 40.3*
COBRE DURO 96.16 45.6*
ALUMINIO SEMIDURO 61.4 10.7 – 14.3
ALUMINIO DURO 61.0 16 – 19
* Valores representativos para un calibre 5.26 mm2 (10 AWG)
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FORMAS Y TIPOS DE CONDUCTORES
Alambre Concéntrico Comprimido CompactoSectorial
(No. de alambres= 1+6+12+18+...
(Ø min = 0.97Øconcéntrico
(Ø ~= 0.91Ø (Cables trifásicos)
Segmental Anular Cordón Calabrote
(~>= 800 mm2
reduce efecto piel)(Cables OF)
(Cables flexibles
cableado sin órden)
(Cables flexiblespequeños - grandes -
reunido de cordonesó concéntricos)
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FLEXIBILIDAD EN CONDUCTORES
INCREMENTO EN FLEXIBILIDAD
Aumento del número
de alambres
sm nuc n e
paso de cableado
Recocido delmaterial
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CLASES DE CABLEADO DE
ACUERDO A NOM-063-SCFI-1994
NUMERO DE ALAMBRES EN FUNCIÓN DE LA CLASE DE CABLEADO
CALIBRE mm2
(AWG ó kCM)
AA B C H K
2.08
(14)
-- 7 19 41
8.37
8
-- 7 19 133 168
33.6(2)
3 7 19 133 665
107
(4/0)
7 19 37 259 2 107
253
(500)
19 37 61 427 5 054
507
(1000)
37 61 91 703 10 101
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CLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUS
APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES
AAAA
AA
BB
yy
GG
HHIIJJ
KK
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Características Eléctricas Características Eléctricas
RIGIDEZ DIELECTRICA = V
e
kV mm
eLíneas de
campoeléctrico
Líneas equipotenciales
V
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Características Eléctricas Características Eléctricas
M Km−−−−ΩΩΩΩ Ra k da
dp1==== log10RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO:
dp1 da Tipo de K
aislamiento
-
20°C Papel impregnado
XLPEP
3,0005,1205,120
Ve
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CAPACITANCIA DEL CABLE
Semiconductor
sobre conductor =electrodo interno
Semiconductor
sobre aislamiento =electrodo externo
Vo
Vo
C = Capacitancia del cable (F/km).
Er = Constante dieléctrica del aislamiento (sin unidades).
da = Diámetro sobre aislamiento (mm).
dp = Diámetro bajo aislamiento (mm).
6
10
10
log
0241.0 −
= x
dp
da
Er C
fCLV I π 2=
I = Corriente capacitiva en el cable (A).
f = Frecuencia del sistema (60 Hz).
L = Longitud del cable (km).
Vo = Voltaje de fase a tierra del sistema (V).
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Características Eléctricas Características Eléctricas
C SIC Co====CONSTANTE DIELECTRICACONSTANTE DIELECTRICA
+ + + + + +
- - - - - -C C0AireV
+ + + + + +
- - - - - -Dieléctrico
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Características Eléctricas
Factor de disipación = Tanδ
Factor de potencia = Cosθ
I
δ θ Tan I I Cosc
r ≅=
δ ω CTanV R
V Q
22.
==
CR
Tan
ω
δ 1=
θ
δ δδ δ
Ir V
E IrIc
Diagrama eléctrico de un
cable de energía
RC
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GRADIENTE O CAMPO ELECTRICOEN EL AISLAMIENTO
Campo ó
eléctrico
Gradiente
dD
equipotenciales
Vo =Tensión de fase a tierraGmax = Gradiente máximo (interfase semiconductor interno con aislamiento)
Aislamiento
=
d DdLn
VoGmax
2
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ESPESOR DE AISLAMIENTO DE CABLES
Tipo decable
Calibre delconductor
(mm2- AWG
ó kCM)
Voltajeentrefases
(kV)
Gradientemáximo
(kV / mm)
Espesor deaislamiento
(mm)
THHW 2.08 – 14 0.6 0.63 0.76
Media 8.37 – 8 5 0.63 14
CON EL GRADIENTE DE UN THHW 600 V
tensión
100 % N.A.
Mediatensión
100 % N.A.
33.6 – 2 15 0.63 105
Media
tensión100 % N.A.
53.5 – 1/0 35 0.63 2 500
Alta tensión 380 - 750 115 0.63 40 000
8/20/2019 Componentes Cables
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GRADIENTE MAXIMO EN CABLES
Tipo decable
Calibre delconductor
(mm
2
- AWGó kCM)
Voltajeentre fases
(kV)
Norma defabricación
Espesor deaislamiento
(mm)
Gradientemáximo
(kV / mm)
THHW 2.08 – 14 0.6 NOM-063-SCFI
0.76 0.63
DE DIFERENTES VOLTAJES
tensión100 % N.A.
. – - - . .
Mediatensión
100 % N.A.
33.6 – 2 15 NMX-J-142 4.45 2.85
Mediatensión
100 % N.A.
53.5 – 1/0 35 NMX-J-142 8.8 3.92
Alta tensión 380 - 750 115 NMX-J-142 20.3 5.41
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CARACTERISTICAS DE LOS PRINCIPALES AISLAMIENTOS
PVC
(Policlorurode Vinilo)
PE
(Polietileno)
XLPE
(Polietilenode Cadena
Cruzada)
EPR
(Etileno –Propileno)
Papelimpregnado
en aceite
Temperatura máxima deoperación (°C)
75 75 90 90 85
Temperatura máxima desobrecar a °C
105 85 130 130 100
EMPLEADOS EN CABLES
Temperatura máxima decorto circuito (°C) 150 150 250 250 150
Constante Dielectrica (a 60Hz y temperatura deoperación)
4 – 8 2.3 2.5 3.0 3.9
Tan δδδδ (a 60 Hz y temperatura
de operación)
0.09 0.001 0.001 0.015 0.011
Constante K de resitencia deaislamiento (a 15.6 °C )(MΩΩΩΩ-km)
750 15 250 6 100 6 100 1 000
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VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA
METALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTO
Dos cables aislados próximos
Cable aislado en una
canalización aterrizada
Líneas equipotenciales
Líneas de campo eléctrico
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PANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTO
- La función principal de la pantalla metálica sobre aislamiento esconfinar al campo eléctrico al interior del aislamiento, es decir que no exista
diferencia de potencial con respecto a tierra en la superficie exterior del cable
USO:USO: En circuitos contensiones de 5 kV ymayores..
CABLE SIN PANTALLACABLE CON PANTALLA
ATERRIZADA
Voltaje conrespectoa tierra
0 V
Voltaje conrespectoa tierra
0 VCABLE CON PANTALLA
SIN ATERRIZAR
Voltaje conrespectoa tierra
0 V
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PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTOR
Conductores
Líneas de campo
AislamientoSemiconductor
Líneas equipotenciales
1- Presentar al aislamiento una superficie cilíndrica equipotencial,
Funciones:
para evitar concentraciones de campo eléctrico
Configuración del campopróximo al conductor con pantalla
Configuración del campo
próximo al conductor sin pantalla
HUECOPANTALLA
2- Presentar al aislamiento una superficie libre de huecos,para evitar descargas eléctricas que se presentan en ellos
USO: En circuitoscon tensiones de2 kV y mayores
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PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTO
1- Presentar al aislamiento una superficie cilíndrica equipotencial,
Funciones:
para evitar concentraciones de campo eléctrico
2- Presentar al aislamiento una superficie libre de huecos,para evitar descargas eléctricas que se presentan en ellos
DISTRUBUCION DE CAMPO ELECTRICO EN UN CABLE CON PANTALLAS:
USO: En circuitos contensiones de 5 kV ymayores, siempre con lapantalla metálica.
metálica
Líneas equipotenciales
Líneas de campo eléctrico
8/20/2019 Componentes Cables
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CABLEO
DUCTOSECO
HUMEDO
CABLE O DUCTO EN INSTALACIONES
CAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLA
METALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTO
CONDUCTORASILAMIENTOCUBIERTA
ABLE
PLANO DE TIERRA
- La pantalla metálica sobre aislamiento trae como consecuencia una capacitancia atierra constante a lo largo del cable, lo que evita reflexiones de ondas de sobrevoltaje
8/20/2019 Componentes Cables
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FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA
1.- Propósito Electrostático- Confinar al campo eléctrico
al interior del aislamiento
2.- Conducir Corrientes deFalla de fase a tierra
Icc- Puede requerir una conductanciamayor que para propósitos electrostáticos
F
F
F
N3.- Pantalla neutro
- Opera como neutro: conductancia = 1/3 ó Full neutral
8/20/2019 Componentes Cables
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VARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DE
PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS
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CALIBRES DE CONDUCTORES
AWG- Sus valores representan aproximadamente los pasos de estirado
- Un número mayor representa un alambre de menor diámetro
- Diámetro AWG n = 1.1229 x Diámetro AWG n+1
kCM ó kcmil- cmil = área de circulo de una milésima de pulg. de diámetro- kCM = 1000 cmil = 0.5067 mm2
φφφφ = 0.001”- Su valor representa el área transversal del conductor en cmil
mm2
- Su valor representa el área transversal del conductor en mm2
- Se usa en calibres mayores al 4/0 AWG
PROCESO DE ESTIRADO
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Proceso de cableado
Bunchado de cordones
8/20/2019 Componentes Cables
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COMPOSICION QUIMICA DE LOS AISLAMIENTOS
Cloruro de Vinilo Etileno Propileno
Polimerización
Polietileno PE
Polietileno Alta Densidad
Celulosa(papel)
Polietileno Baja Densidad
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VULCANIZACION DE POLIMEROS
Materiales Termoplásticos = PVC , PE
Materiales Termofijos ó Vulcanizados = XLPE , EPR , CPE
Vulcanización
PE XLPE
Zonaamorfa
Zonaamorfa
Zonacristalina
Zona amorfasin vulcanizar
vulcanizada
Zona amorfa
Tipos de Vulcanización:- Química: Azufre, Peróxidos, Silanos
- Radiación: Rayos ββββ (electrones)
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VULCANIZACION DEL POLIETINENO MEDIANTE PEROXIDO
=
PROCESO DE EXTRUSION DE
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PROCESO DE EXTRUSION DEAISLAMIENTOS Y CUBIERTAS
DEFECTOS EN EL AISLAMIENTO QUE CONCENTRAN EL CAMPO
8/20/2019 Componentes Cables
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Penetración deaislamiento ensemiconductor
DEFECTOS EN EL AISLAMIENTO QUE CONCENTRAN EL CAMPO
ELECTRICO Y REDUCEN LA VIDA ESPERADA DEL CABLE
Penetración desemiconductoren aislamiento
Cavidad o burbujaContaminante
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Fallas eléctricas de cables de 21 "utilities"
en U.S.A.
6
8
10
a s / 1 0 0 m i l l a s
HMWPE
0
2
4
1969 1972 1975 1978 1981 1984 1987 1990Año
N o .
d e f a l l
XLPE
Causa de incremento de fallas = formación de arborescencias de agua
Ñ
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ARBORESCENCIAS DE AGUA TEÑIDAS EN CABLES EXTRUIDOS
“Ventiladas” Arborescencia eléctrica dentro de una de agua
Tipo “corbata de moño” Tipo “corbata de moño”
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CARACTERISTICAS DE LAS ARBORESCENCIAS
1- QUIMICAS:
- Se forman en ambientes con azufre que reacciona con el cobre del conductor y penetranen el aislamiento del cable.
- Tienen forma de “brócoli”.
- No se producen en conductores de aluminio.
2- ELECTRICAS:
- Se forman a partir de contaminantes, cavidades e irregularidades en la superficie de los semiconductores.
- Re uieren concentraciones de cam o eléctrico ma or ue las de a ua ara su formación.
- Semejan árboles sin hojas y son canales huecos carbonizados.
3- DE AGUA:
- Requieren la presencia de agua y concentraciones de campo eléctrico menor que las eléctricaspara su formación.
- Se pueden formar a partir de arborescencias de agua.
- Se forman a partir de contaminantes, cavidades e irregularidades en la superficie de los semiconductores.
- Se cree que son “racimos” de microcavidades.
- Se aprecian solo cuando son teñidos y su apariencia es de manchas.
ARBORESCENCIAS ELECTRICAS
8/20/2019 Componentes Cables
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ARBORESCENCIAS ELECTRICAS
En cables de papel “Ventiladas” en cables extruidos
Perforando el aislamiento de un cable extruido De “corbata de moño” en cable extruido
ALTERNATIVAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL DESEMPEÑO
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ALTERNATIVAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL DESEMPEÑO
1- Materiales
DE LOS CABLES CON AISLAMIENTO EXTRUIDO
- Aislamientos más limpios y más resistentes al agua.
- Compuestos semiconductores más limpios y más lisos
(para reducir las irregularidades en la interfase con el aislamiento)Rugosidad de semiconducotres:- Convencionales aprox. 1 micra (0.00004 in.).- Super lisos aprox. 0.2 micras (0.000008 in.).
2- Procesos de fabricación
3- Barreras para eliminar el ingreso de agua
- Triple extrusión “real”
- Curado en seco
- Cuartos “limpios” para manejo y mezclado de materiales
- Barreras contra el ingreso longitudinal de agua en conductor y pantalla metálica
- Barreras contra el ingreso radial de agua (cubiertas)
RESISTENCIA AL AGUA DE LOS AISLAMIENTOS
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RESISTENCIA AL AGUA DE LOS AISLAMIENTOS
RIGIDEZ DIELECTRICA A TEMPERATURAAMBIENTE
30
40
50
60
e r u p t u r a ( k V
/ m m )
XLP
XLP-TR
* Método de prueba de acuerdo a AWTT de AEIC:
- Muestras de cable de 15 kV 100 % N.A. 1/0 AWG Al, L= 4 m- Envejecido a 26 kV y ciclos térmicos 90 °C- Cada punto en la gráfica es el promedio de 5 valores.
0
10
20
0 4 8 12
Tiempo de envejecido en agua (meses)
G r a d i e n
t e
PROCESO DE TRIPLE EXTRUSION 2 + 1
8/20/2019 Componentes Cables
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Y VULCANIZADO EN VAPOR
TRIPLE EXTRUSION REAL
8/20/2019 Componentes Cables
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TRIPLE EXTRUSION REAL
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PROCESO DE CURADO EN SECO
SISTEMA DE CUARTOS LIMPIOS
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PARA EL MANEJO DE COMPUESTOS
COMPARACION DE LA VULCANIZACION EN NITROGENO CONTRA VAPOR
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VAPOR SATURADO
0.0
50.0
100.0
150.0
200.0250.0
300.0
350.0
400.0
T e m p e r a t u r a ( ° C )
T e m p e r a t u r
a ( ° C )
Presión (MPa)
NITROGENO:
- Temperatura independiente de la presión
- Calor transferido por radiación del tubode vulcanización
- Apariencia superficial tersa
VAPOR:
- Temperatura depende de la presión.
- Calor transferido por contacto conel vapor
- Apariencia superficial rugosa porcondensación de gotas de aguadurante el proceso
A altas temperaturas la alta presióndeforma la superficie entreaislamiento y semiconductor interno
1 MPa ˜ 10 kg / cm2=
Presión mínnima para evitarformación de cavidades= 0.39 MPa ( 4 kg / cm2 )
COMPARACION DE LA VULCANIZACION EN NITROGENO CONTRA VAPOR( CONTINUACION)
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1
10
100
1000
10000
100000
0 5 10
Tamaño de cavidad micro-m
N ú m e r o
d e c a v i d a d e s p o r m m 3
VAPOR
NITROGENO
( CONTINUACION)
CONTEO DE CAVIDADES EN XLPE (1)
Notas:
1- Realizado con equipo de
0
20
40
60
80
100
120
140
43 72 50 115
Gradiente máximo (kV/mm)
P r o b a b i l i d a d d e f a l l a ( % )
VAPOR C.A. EN
ESCALON
NITROGENO C.A.
EN ESCALON
VAPOR EN
IMPULSO
NITROGENO EN
IMPULSO
3
5
12
22
40
60
82
96
40 50 62 80 100 125 160 200
RIGIDEZ DIELECTRICA EN CABLES DE XLPE(2)
.
2- Realizado en cables deXLPE de 6.35 / 11 kV
MEZCLADO TRADICIONAL DE EPR
8/20/2019 Componentes Cables
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Y EMPAQUE EN ROLLOS
MEZCLADO DE EPR EN CUARTOS LIMPIOSCON MANEJO DE MATERIALES AUTOMATIZADO
8/20/2019 Componentes Cables
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CON MANEJO DE MATERIALES AUTOMATIZADOY EMPAQUE EN PELLETS
PROCESO DE SELLADO DEL CONDUCTOR CONTRA EL INGRESO DE AGUA
8/20/2019 Componentes Cables
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Conductor sin sellarConductor sellado contra
el ingreso de agua
NUEVO DISEÑO DE CABLES DE ENERGIA
8/20/2019 Componentes Cables
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Recubrimiento en
cinta de aluminiopara adherirsea cubierta de PE
Cinta de aluminio
aplicada longitudinalmentecon traslape(Barrera radial)
Pantallassemiconductoras
Pantallametálica
(Barrera longitudinal)Cubierta de PE(Barrera radial)
Cinta hinchablesemiconductora
(Barrera longitudinal)
ConductorSellado
* Estas cintas se hinchan al entrar en contacto con el agua formando un tapón.
* Aislamientode XLPE
El CAMPO MAGNETICO
8/20/2019 Componentes Cables
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campoma nético B
imán
S
N
S
N
Polos diferentes se atraen Polos iguales se repelen
S
N S
N
TODAS LAS CARGAS ELECTRICAS EN MOVIMIENTOPRODUCEN UN CAMPO MAGNETICO
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PRODUCEN UN CAMPO MAGNETICO
corriente
campo magnético oinducción magnéticaB (tesla = T )
Conductor deelectricidad
eléctrica I(ampere = A)
Conductor deelectricidad
campo
magnético B
Corrienteeléctrica I
INDUCCION DE CORRIENTE O VOLTAJE (FUERZA
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INDUCCION DE CORRIENTE O VOLTAJE (FUERZAELECTROMOTRIZ) EN UN CIRCUITO CERRADO
CUANDO SE MUEVE UN IMAN CERCA DE EL
movimiento delimán
vólmetro ó ampermetrodetectan voltaje o corriente,
respectivamente
0+-
A ó V
alambre conductorformando un circuitocerrado o una bobina
imán
FLUJO MAGNETICO EN UN AREA
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FLUJO MAGNETICO EN UN AREA
Area = A
Campo Magnético B
ΦΦΦΦ = Flujo Magnético = B x A weber (Wb) = tesla (T) x m2
Cuando el campo no es constante en toda el área: ΦΦΦΦ = ∫∫∫∫ B dA
FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA POR UN FLUJOMAGNETICO VARIABLE EN EL TIEMPO
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Area = A
Campo Magnético Bvariable en el tiempo
Fuerzaelectromotrizinducida
dΦΦΦΦ
Cuando en un área existe un flujo magnético que varía con el tiempo, seinduce una fuerza electromotriz (voltaje) alrededor de dicha área.
Matemáticamente:dt
Fem ó V =
em =
(volts =V)
Variación del flujo magnético
Tiempo transcurrido=
SI ALREDEDOR DEL AREA, EN LA QUE EXISTE UN FLUJOMAGNETICO VARIABLE CON EL TIEMPO, HAY UN CAMINO
CONDUCTOR (COMO UN ALAMBRE METÁLICO), VA A CIRCULAR
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CORRIENTE ELECTRICA POR EL
Area = A
Campo Magnético Bvariable en el tiempo
Corriente eléctricainducida I
Fuerzaelectromotrizinducida Trayectoria conductora
rodeando al área A
UN CIRCUITO CERRADO POR EL QUE CIRCULA UNACORRIENTE VARIABLE CON EL TIEMPO GENEREA UN
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Area A(flujo magnético ΦΦΦΦ)
Campo Magnético B
FLUJO MAGNETICO VARIABLE CON EL TIEMPO Y POR
CONSIGUIENTE UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
0 1 2 3 4 5 6
Circuito conductor cerradoo anillo conductor
Corriente eléctrica I
CORRIENTE ALTERNA
tiempo
c o r r i e n t e
I
INDUCTANCIAEL FLUJO MAGNETICO EN UN CIRCUITO CERRADO ES
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Area = ACampo Magnético B
EL FLUJO MAGNETICO EN UN CIRCUITO CERRADO ES
PROPORCIONAL A LA CORRIENTE. A LA CONSTANTE DEPROPORCIONALIDAD SE LE LLAMA INDUCTANCIA L
ΦΦΦΦ = L I weber (Wb) = henry (H) x ampere (A)
Flujo magnético ΦΦΦΦ
Circuito conductor cerradoCorriente eléctrica I
BOBINA
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NI
campomagnético B
Una bobina es un alambre enrollado en varias vueltas.
Al pasar corriente por ella se convierte en un imán
N
S
bobina imán
SNΦΦΦΦ = L I
donde:
N = número de espiras en la bobinaΦΦΦΦ = flujo magnético (webber)L = inductancia (henry)I = corriente (amperes)
DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES MAGNETICOS
corriente I corriente I
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corriente I
Campomagnetico B
corriente I
materialferromagnético
Al introducir un material dentro de una bobina se altera su inductancia:L = µµµµr Lo
µµµµr < 1; µµµµr ≅≅≅≅ 1 = diamagnéticos
µµµµr > 1; µµµµr ≅≅≅≅ 1 = paramagnéticos
µµµµr >> 1 = ferromagnéticos Magnéticos
Diferentes tipos de materiales:
No magnéticos
Los materiales ferromagnéticos incrementan el flujo magnético en la bobina
µµµµr = permeabilidad magnética relativadel material
EL TRANSFORMADORnúcleo de hierro
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Vp Vs
Ip Is
Z
bobina delprimario bobina delsecundariocampo
magnético B
corrientealterna carga oimpedancia
Vp, Ip = voltaje y corriente en el primario, respectivamente
Vs, Is = voltaje y corriente en el secundario, respectivamente
Vs Ns
Vp NpVp Ip = Vs Is=
Np, Ns = número de espiras del primario y secundario, respectivamente
núcleo de hierroEL TRANSFORMADOR (continuación)
I Is
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bobina del bobina delcampo
carga oimpedancia
M
ZLp Ls
Fuente decorrientealterna
Ip Is
magnético B
Np, Ns = número de espiras del primario y secundario, respectivamente
Lp, Ls = inductancia propia del primario y secundario, respectivamente
Ip, Is = corriente del primario y secundario, respectivamente
M = inductancia mutua
ΦΦΦΦab = flujo magnético en el devanado “a” debido a la corriente en el devanado “b”
NpΦΦΦΦpp = Lp Ip NsΦΦΦΦss = Ls Is NpΦΦΦΦps = M IsNsΦΦΦΦsp = M Ip
ΦΦΦΦps = ΦΦΦΦss ΦΦΦΦsp = ΦΦΦΦppTransf. con núcleo de hierro:
RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNARESISTENCIA
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I
VR
V = voltaje (volts)
I = corriente (amperes)R = Resistencia (ohms)
RI V =
RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNABOBINA EN CORRIENTE ALTERNA
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I
VL
V = voltaje (volts)
I = corriente (amperes)
L = inductancia (henrys)
f = frecuencia de la onda senoidal (60 Hz para la frecuencia en lacual la potencia es transmitida)
XL= reactancia inductiva (ohm) = 2 ππππ f L
I jX fLI jV L== π 2
RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNCAPACITOR EN CORRIENTE ALTERNA
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I
V C
V = voltaje (volts)
I = corriente (amperes)
C = Capacitancia (farads)f = frecuencia de la onda senoidal (60 Hz para la frecuencia en lacual la potencia es transmitida)
XC= reactancia capacitiva (ohm) = 1/(2 ππππ f C)
I jX fC j
I
V C −== π 2
CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIA
∆∆∆∆V (cable)
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I
IC
XLR
XCEg Er
- Los cables aislados generalmente tienen una longitud de 5 km ó menos, por lo
∆∆∆∆V (cable)
r g E V E +∆=
Eg = Tensión de envío (V).∆∆∆∆V = Tensión que “se cae” en el cable (V).
Er = Tensión de recepción (V).
R = Resistencia del conductor (ohm).
L jX R Z +=
I I C
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sobre conductor =
electrodo interno
sobre aislamiento =
electrodo externo
Vo
Vo
C = Capacitancia del cable (F/km).
Er = Constante dieléctrica del aislamiento (sin unidades).
da = Diámetro sobre aislamiento (mm).
dp = Diámetro bajo aislamiento (mm).
6
10
10
log
0241.0 −
= x
dp
da Er C
fCLV I π 2=
I = Corriente capacitiva en el cable (A).
f = Frecuencia del sistema (60 Hz).
L = Longitud del cable (km).
Vo = Voltaje de fase a tierra del sistema (V).
CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIAcontinuación
∆∆∆∆V (cable)
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Fórmula aproximada de caída de tensión (%):
IXLR
EgEr
r g E V E +∆=
100100% LI Z V
V =∆
=∆
IZI = Impedancia del cable(ohm/km) =
R = Resistencia del conductor (ohm/km).
XL =Reactancia inductiva del conductor (ohm/km).
L = Longitud del cable (km).
Eg = Tensión de envío de fase a tierra (V).
Egf = Tensión de envío de fase a fase (V).
∆∆∆∆V = Tensión que “se cae” en el cable (V).
Er = Tensión de recepción de fase a tierra (V).
I = Corriente en el conductor del cable (A).
10031003% Egf
I L Z Egf
V V =∆
=∆
22
L X R Z +=
CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIAcontinuación
∆∆∆∆V (cable)
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IXLR
EgEr
r g E V E +∆=
Eg
carga
IXL
EgI
IXLEg
Factor de potencia atrasado(cargas inductivas):
Factor de potencia unitario(cargas resistivas):
Factor de potencia adelantado(cargas capacitivas):
R = Resistencia del conductor (ohm/km).
XL =Reactancia inductiva del conductor (ohm/km).
L = Longitud del cable (km).
cosθθθθ = Factor de potencia de la carga.
∆∆∆∆V = Caída de tensión en el cable al neutro (V).Eg = Tensión de envío de fase a tierra (V).
Er = Tensión de recepción de fase a tierra (V).
I = Corriente en el conductor del cable (A).
Fórmula exacta de caída de tensión al neutro para líneas cortas (V):
( ) ( )[ ] Er ILX sen E ILR E V Lr r −+++=∆ 21
22cos θ θ
I
IR
IXLEr
I IREr
IREr
RESISTENCIA ELECTRICA DE UN ALAMBREEN CORRIENTE DIRECTA
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Corriente eléctricaA
L
Rcd = ρρρρ
A
Rcd = resistencia del alambre a la corriente directa a 20 °C (ohm)ρρρρ = resistividad eléctrica del material del alambre a 20 °C (ohm-mm 2/ km)
L = longitud del alambre (km)
A = área transversal del alambre (mm2)
RESISTENCIA ELECTRICA DE UN CABLE ENCORRIENTE DIRECTA
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Corriente eléctrica
A
longitud de alambre mayora longitud del cableL
Rcd = ρρρρ c
ARcd = resistencia del cable a la corriente directa a 20 °C (ohm)
ρρρρ = resistividad eléctrica del material del cable a 20 °C (ohm-mm 2/ km)
L = longitud del cable (km)
A = suma de las áreas transversales de los alambres (mm2)
Pc = factor de corrección por pérdidas por cableado ( paraconductores clase B = 1.02)
INCREMENTO DE LA RESISTENCIA EN CORRIENTEDIRECTA CON LA TEMPERATURA
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30
40
50
Temperatura(°C)
T
-20
-10
0
10
Ro R
Resistencia(ohms)
To
R = Ro ( 1 + αααα ( T - To ) )
R = resistencia del cable a la temperatura T (ohm)Ro = resistencia del cable a la temperatura To (20 °C) (ohm)αααα = coeficiente térmico de resistividad eléctrica a 20 °C (1/°C)
RESISTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA
Rca = Rcd(1 + Ys + Yp)
8/20/2019 Componentes Cables
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Rca = Rcd(1 + Ys + Yp)
Rca = resistencia en corriente alterna a la temperatura de operación (ohm)
Rcd = resistencia en corriente directa a la temperatura de operación (ohm)
Ys = factor de corrección por efecto piel
Yp = factor de corrección por efecto proximidad
conductor
efecto piel efecto proximidad
campo magnético B
corriente alterna I
concentración de lacorriente
FACTOR DE CORRECCION POR EFECTO PIEL
Xs4
8/20/2019 Componentes Cables
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Ys =Xs
192 + 0.8 Xs4
Xs2 = 8 ππππ fRcd 10-4 ks
Ys = factor de corrección de la resistencia por efecto pielf = frecuencia del sistema (Hz). Para sistemas de transmisiónde potencia = 60 Hz
Rcd = resistencia del conductor en c.d. corregida a la temperatura deoperación (ohm/ km)
Tipo de conductor ks
Redondo 1.0
seg m en tal ( 4 seg m en to s) 0.4 35
FACTOR DE CORRECCION POR EFECTO PROXIMIDAD
8/20/2019 Componentes Cables
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Yp =Xp4
192 + 0.8 Xp4
Xp2 = 8 ππππ fRcd
10-4 kp
Yp = factor de corrección de la resistencia por efecto proximidad
dcs
2( ) dcs
2
( )0.312 +1.18
+ 0.27Xp4
192 + 0.8 Xp4
= recuenc a e s stema z . ara s stemas e transm s n
de potencia = 60 HzRcd = resistencia del conductor en c.d. corregida a la temperatura deoperación (ohm/ km)dc = diámetro del conductor (mm)
s = distancia entre ejes de los conductores (mm)
Tipo de conductor kp
Redondo 1.0segmental ( 4 segmentos) 0.37
INDUCTANCIA DE DOS CILINDROS HUECOSPARALELOS DE PARED MUY DELGADA QUE
TRANSPORTAN CORRIENTES OPUESTAS
8/20/2019 Componentes Cables
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R
Corriente I
R
O
Corriente IS
Campo magnético B
Inductancia individual = L = 2 x 10-4 Ln( ) henry / kmSRDonde:
S = Separación entre centros de cablesR = Radio del cilindro hueco
INDUCTANCIA DE DOS CONDUCTORESPARALELOS SOLIDOS O CABLEADOS QUETRANSPORTAN CORRIENTES OPUESTAS
8/20/2019 Componentes Cables
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r r
S
Conductor sólido o cableado
Corriente I O Corriente I
RMG = Radio medio geométrico = Radio equivalente de conductor cilíndrico hueco para el que todo el flujo magnético es externo.
Construcción del conductor RMG
Alambre sólido
Cable de un solo material
7 hilos19 hilos37 hilos61 hilos91 hilos
127 hilos
0.779 r
0.726 r0.758 r0.768 r0.772 r0.774 r0.776 r
Inductancia individual = L = 2 x 10-4 Ln( ) henry / kmSRMG
r = radio del conductor
INDUCTANCIA INDIVIDUAL PARA VARIASCONFIGURACIONES DE CABLES
(henry / km)
8/20/2019 Componentes Cables
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TENSION INDUCIDA EN LAS PANTALLAS METALICAS CUANDOESTAN UNIDAS EN UN PUNTO
conexión eléctrica de
8/20/2019 Componentes Cables
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pantallametálica
campomagnético B
las pantallas metálicas
conductormetálico
corriente en
el conductorIc
tensióninducida enlas pantallasmetálicasVp
CIRCUITO EQUIVALENTE DE CONDUCTOR Y PANTALLA, CONLAS PANTALLAS ABIERTAS (UNIDAS EN UN SOLO PUNTO)
I
8/20/2019 Componentes Cables
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∆∆∆∆E VP
XM
XL XP
≈≈≈≈
conductor pantalla
VP = Voltaje inducido en la pantalla∆∆∆∆E = voltaje en el conductor
P
XL, XP = Reactancia inductiva propia de conductor y pantalla, respectivamenteR, RP = resistencia de conductor y pantalla, respectivamente
I = corriente en el conductorXM = Reactancia inductiva mutua entre el conductor y las pantallas
RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CABLES CON LASPANTALLAS ABIERTAS O UNIDAS EN UN SOLO PUNTO
I
8/20/2019 Componentes Cables
86/136
∆∆∆∆E
R
XL
∆∆∆∆E = ( R2 + XL2)1/2 I
conductor∆∆∆∆E = Tensión en el conductor, en volts / km
I = Corriente en el conductor, en amperesR = Resistencia del conductor en corriente alterna a la
temperatura de operación, en ohm / kmXL = Reactancia inductiva del conductor, en ohm /km = 2 ππππ f L L = Inductancia del conductor, en henry /km f = frecuencia de la corriente alterna, enhertz (60 hertz)
CORRIENTE INDUCIDA EN LAS PANTALLAS METALICASCUANDO ESTAN UNIDAS EN DOS PUNTOS
conexión eléctrica de
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pantallametálica
campomagnético B
las pantallas metálicas
conductormetálico
corriente en
el conductorIc
corriente
inducida enlas pantallasmetálicas Ip
CIRCUITO EQUIVALENTE DE CONDUCTOR Y PANTALLA,CON LAS PANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS
IPX
I
8/20/2019 Componentes Cables
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∆∆∆∆E
M
R
XL XP
RP
unión de las
pantallas
≈≈≈≈
conductor pantalla
XL, XP = Reactancia inductiva propia de conductor y pantalla, respectivamenteR, RP = resistencia de conductor y pantalla, respectivamente
I = corriente en el conductorXM = Reactancia inductiva mutua entre el conductor y las pantallas
IP = corriente inducida en la pantalla∆∆∆∆E = Tensión en el conductor
RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CABLES CON LASPANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS
8/20/2019 Componentes Cables
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∆∆∆∆E
R
XLA
I
∆∆∆∆E = ( RA2 + XLA2)1/2 I
conductor
∆∆∆∆E = Tensión en el conductor, en volts / kmI = Corriente en el conductor, en amperes RA= Resistencia aparente del conductor en corriente alterna a la
temperatura de operación, en ohm / kmXLA = Reactancia inductiva aparente del conductor, en ohm / km
RESISTENCIA Y REACTANCIA APARENTES DE CABLES CON LASPANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS EN CONFIGURACIÓN
EQUILATERA
2RX 3X
8/20/2019 Componentes Cables
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RA = Resistencia aparente del conductor en corriente alterna a la temperatura de operación,en ohm / km
R = Resistencia del conductor en corriente alterna a la temperatura de operación, en ohm / kmRp = Resistencia eléctrica de la pantalla a la temperatura de operación, en ohm / kmXLA = Reactancia inductiva aparente del conductor, en ohm / kmXL = Reactancia inductiva del conductor, en ohm / km
22
2
P M
P M
R X
R X R RA
++=
22
3
P M
M L L
R X
X X A X
+−=
XM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en ohm / km
fM X M π 2=M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)
=
−
or
S
Ln x M
4
102
S = Separación entre centros de cables, en mmro = Radio medio de la pantalla, en mm
ro
SS
S
pantallaconductor
TENSION INDUCIDA EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS EN CIRCUITO
ABIERTO - ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO)
8/20/2019 Componentes Cables
91/136
SS
pantallaconductor IcL X Ep M =
Ep = Tensión inducida en la pantalla del cable, en voltsI = Corriente en el conductor de cada cable, en amperesXM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en
ro
S
ohm / km
fM X M π 2=
M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)
S = Separación entre centros de cables, en mmro = Radio medio de la pantalla, en mm
=
−
or S Ln x M 4102
TENSION INDUCIDA EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS EN CIRCUITO
ABIERTO - ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO) -
CONTINUACIÓN
8/20/2019 Componentes Cables
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- Al aumentar la distancia de separación entre los centros de loscables aumenta la reactancia mutua XM, por lo tanto aumenta la
tensión inducida en la pantalla metálica.- Al aumentar la corriente que circula por el conductor, aumenta latensión inducida en la pantalla.
-
CONTINUACIÓN IcL X Ep M =
cable:
0
10
20
30
40
50
0 5 10 15 20
Ep
L
XM e Ic = constantes
00
CALOR GENERADO EN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POREFECTO JOULE
8/20/2019 Componentes Cables
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2
corriente Iconductor
Donde:
Wc = Calor generado en el conductor, en watts / km
Ic = Corriente eléctrica en el conductor, en amperesRc = Resistencia del conductor en corriente alterna a latemperatura de operación, en ohm / km
CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE POREFECTO JOULE (PANTALLAS SOLIDAMENTE UNIDAS O
ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)
pantalla metálica
8/20/2019 Componentes Cables
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corriente I
R I W 2=
pantalla metálica
Donde:Wp = Calor generado en la pantalla, en watts / kmIp = Corriente eléctrica en la pantalla, en amperesRc = Resistencia de la pantalla a la temperatura deoperación, en ohm / km
CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTE
UNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)
22XRRIW
8/20/2019 Componentes Cables
95/136
SS
pantallaconductor
λλλλ = Fracción de perdidas de pantalla a conductorWp = Calor generado en la pantalla, en watts / kmWc = Calor generado en el conductor, en watts / kmRp = Resistencia de la pantalla, en ohm / km
22
2
2
2
P M
M
c
P
cc
p p
R X
X
R
R
R I
R I
Wc
Wp
+===λ
ro
S
,XM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en
ohm / km
fM X M π 2=
M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)
S = Separación entre centros de cables, en mmro = Radio medio de la pantalla, en mm
= −
or S Ln x M 4102
GRAFICA DE FRACCION DE PERDIDAS DE PANTALLA A CONDUCTOR ENUN CABLE EN FORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTEUNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS) EN FUNCION DE LA
REACTANCIA MUTUA
22
MP p p XRRIWpλ
8/20/2019 Componentes Cables
96/136
2.000
3.000λλλλ
R R = constantes
222
P M
M
c
P
cc
pp
R X
X R R
R I R I
WcWp
+===λ
- Al aumentar la distancia de separación entre los centros de los cables aumenta lareactancia mutua XM, por lo que aumenta el calor generado en la pantalla metálica
0.000
1.000
0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 XM00
GRAFICA DE FRACCION DE PERDIDAS DE PANTALLA A CONDUCTOR ENUN CABLE EN FORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTEUNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS) EN FUNCION DE LA
RESISTENCIA DE LA PANTALLA METALICA
22MP p p XRRIWpλ
8/20/2019 Componentes Cables
97/136
1.500
2.000
λλλλ
c
M
R
X
2max =λ
XM y Rc = constantes
222
P M
M
c
P
cc
pp
R X
X
R
R
R I
R I
Wc
Wp
+===λ
- Rp generalmente es mayor que XM, por lo que al disminur Rp aumentan las perdidas.- En algunos casos el calor generado en la pantalla puede ser mayor que el generado en elconductor
0.000
0.500
.
0 0.5 1 1.5 2
Rp00
M X Rp =
ARREGLO DE FASES EN SISTEMASDE VARIOS CABLES POR FASE
- Todos los cables de una fase deben tener prácticamente la misma impedanciapara evitar que alguno de ellos transmita más corriente y se sobrecaliente.
- No es tan importante que los cables de diferentes fases tengan la misma
8/20/2019 Componentes Cables
98/136
- Los cables se deben agrupar en sistemas de acuerdo a lo siguiente:
- cada sistema debe contener las tres fases.
- separación entre sistemas debe ser mucho mayor que la distancia entrecentros de cables.
p q gimpedancia, al menos en líneas cortas (< 10 km).
A) CABLES EN FORMACION PLANA
ABCA B C A B C
BBBA A A C C C
CBAA B C A B C
- los sistemas tienen solo una fase
- mala secuencia de fases
- secuencia de fases correcta
ARREGLO DE FASES EN SISTEMASDE VARIOS CABLES POR FASE
(segunda parte)
8/20/2019 Componentes Cables
99/136
- los sistemas tienen solo una faseB B B
C C C
A A A
A B C
- secuencia de fases correctaABC
A B C
- mala secuencia de fases
A B C
A B C
ARREGLO DE FASES EN SISTEMASDE VARIOS CABLES POR FASE
(tercera parte)
B) CABLES EN FORMACION TREBOL
8/20/2019 Componentes Cables
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B) CABLES EN FORMACION TREBOL
AA
A CC
CBB
B - los sistemas tienen solo una fase
A C A C
ABC ABC ABC
A C - Mala secuencia de fases
- Secuencia de fases correcta
- Por seguridad las pantallas metálicas deben estar siempre aterrizadasal menos en un punto.
ATERRIZAJE DE LAS PANTALLAS METALICAS
pantalla
conductor
8/20/2019 Componentes Cables
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- Prácticas de seguridad en diseño, construcción, operación y
mantenimiento deben basarse en el principio que el voltaje en la pantallametálica de cables de transmisión debe ser considerado análogo al decables de baja tensión sin pantalla.
- El método que proporciona mayor seguridad en una instalación es elaterrizaje de las pantallas en dos o más puntos, ya que no existe un voltajeneto inducido en ellas. Sin embargo con este método circula corriente enlas pantallas y se producen pérdidas por calor en ellas.
corriente I
Rp IpWp 2
=
pantalla metálica
EQUIVALENCIA DE TRANSFERENCIA DECALOR CON UN CIRCUITO ELECTRICO
(ley de Ohm térmica)
8/20/2019 Componentes Cables
102/136
Q
T1T2 T2 T1Rt
Q
t =
∆∆∆∆T = Diferencia de temperaturas entre punto 2 (T2) ) y el punto 1 (T1), en °C (= T2 – T1)Rt = Resistencia térmica total entre el punto 1 y el punto 2, °C-m/W.
Q = Calor transmitido entre el punto 2 y el punto 1, en W/m.
RI V =
V = Diferencia de potencial, en volts = V2 – V1.R = Resistencia eléctrica, en ohms.
I = Corriente eléctrica, en amperes.
V2 V1R
I
CALOR GENERADO EN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POREFECTO JOULE
conductor
8/20/2019 Componentes Cables
103/136
2
corriente I
Donde:
Wc = Calor generado en el conductor, en W / mI = Corriente eléctrica en el conductor, en amperes
R = Resistencia del conductor en corriente alterna ala temperatura de operación, en ohm / m
corriente I
CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE POREFECTO JOULE (PANTALLAS SOLIDAMENTE UNIDAS O
ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)pantalla metálica
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Rp IpWp 2=Donde:
Wp = Calor generado en la pantalla, en W / m
Ip = Corriente eléctrica en la pantalla, en amperes
Rp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación, en ohm / m
Rc I
Rp Ip
Wc
Wp2
2
==λ
Donde:
λλλλ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor, sin unidades.Wc = Calor generado en el conductor, en W / m
R = Resistencia eléctrica del conductor a la corriente alterna a la temperatura de operación, en ohm/m
I = Corriente circulando en el conductor, en amperes.
R I Wp 2λ =
CALOR GENERADO EN EL AISLAMIENTO DEL CABLE POREFECTO JOULE
8/20/2019 Componentes Cables
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22
Vo δ 1
tan =
Vo
Ra
Donde:Wd = Calor generado en el aislamiento, en W/m
Vo = Voltaje al que está sometido el aislamiento que es igual al voltajede fase a tierra del sistema, en V.
C = Capacitancia del cable, en F /m
f = Frecuencia del sistema, en Hz (60 Hz)
Ra = Resistencia de aislamiento, en Ohm-m
tan δδδδ = Factor de pérdidas del aislamiento, sin unidades.
TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES CONGENERACION DE CALOR SOLO EN EL CONDUCTOR
∆∆∆∆T = Diferencia de temperatura entre el conducto (Tc) y el
∑=∆ Rt QT
Ta
Q = I2R
Rte
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ambiente (Ta) (°C) = Tc-Ta
Q = Calor generado en el conductor por efecto Joule (W) = I2R
I = Corriente en el Conductor (A)
R = Resistencia eléctrica del conductor (ohm/m)∑∑∑∑Rt = Suma de las resistencias térmicas entre el conductor y el
ambiente (°C-m/W)
Ta
Tc
=− ac
∑ ++=
Rte Rtc Rta Rt
( ) Rte Rtc Rta R
TaTc I
++
−=
Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubierta
y exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)
Rta Rtc
TcRta
Q=I2R
Tp TaTeRtc
Q=I2R
Rte
Q=I2R
Tp = Temperatura en la pantalla metálica (°C)
Te = Temperatura sobre la cubierta del cable (°C)
( )( ) )(122 Rte RtcWd R I RtaWd R I TaTc ++++
+=− λ
I2R
Rte
Wd
TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES CONGENERACION DE CALOR EN EL CONDUCTOR, EN EL
AISLAMIENTO Y EN LA PANTALLA METALICA
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Tc = Temperatura del conductor (°C)
Ta = Temperatura ambiente (°C)
I = Corriente en el conductor (A)
R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura de operación (ohm/m)
Wd = Calor generado en el aislamiento (Wm)
( )( ) )(2
TaTc
λλλλI2R
= e ac n e p r as en re pan a a y con uc or.
Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubierta
y exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)
( )( )( ) Rte Rtc Rta R Rte Rtc
Rta
Wd TaTc I
+++
++−−
=λ 1
2
Rta Rtc
Tc
Rta
Q=I2R
Tp TaTe
Rtc
Q=I2R
Rte
Q=I2R
λλλλI2RWd Wd
λλλλI2RWd
TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES MULTICONDUCTORESCON GENERACION DE CALOR EN EL CONDUCTOR, EN EL
AISLAMIENTO Y EN LA PANTALLA METALICA
( )( ) )(12
22 Rte RtcWd R I N Rta
Wd R I TaTc ++++
+=− λ
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Tc = Temperatura del conductor (°C)
Ta = Temperatura ambiente (°C)
I = Corriente en el conductor (A)R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura de operación(ohm/m)
Wd = Calor enerado en el aislamiento Wm
( )( ) )(2
λ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor.
Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubiertay exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)
N = Número de almas en el cable.
( )( )( )( ) Rte Rtc N Rta R
Rte Rtc N
Rta
Wd TaTc I +++
++−−
=λ 1
2
TaTe
Rtc
Q=I2R
Rte
Q=I2R
λλλλI2RWd
λλλλI2RWd
TcRta
Q=I2R
Tp
Wd
Tc
Rta
Q=I2R
Tp
Tc
Rta
Q=I2R
Tp
Q=I2R
λλλλI2R
WdQ=I2R
λλλλI2R
Wd
Q=I2R
λλλλI2
RWdQ=I2R
λλλλI2
RWd
Wd
Wd
CALENTAMIENTO DE LOS CABLES DEBIDO A OTROSCABLES CERCANOS QUE TRANSMITEN CORRIENTE
NIVEL DEL PISOSe puede considerar que el efecto delcalentamiento de otros cables incrementa la
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FLUJO DECALOR
CABLES DUCTOS
calentamiento de otros cables incrementa latemperatura ambiente en la siguiente fórmula:
( )
( )( )( ) Rte Rtc N Rta R
Rte Rtc N RtaWd TaTc
I i
i
+++
++−
∆+−
=∑
λ
θ
1
2
Tc = Temperatura del conductor (°C).
Ta = Temperatura ambiente (°C).I = Corriente en el conductor (A).
R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura deoperación (ohm/m).
Wd = Calor generado en el aislamiento (Wm).
λ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor.
Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, lacubierta y exterior del cable, respectivamente (°C- m/W).
N = Número de conductores en el cable.
∆θi = Incremento en la temperatura ambiente debido alcalentamiento del cable “i”.
TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASE ATIERRA EN SISTEMAS CON LAS PANTALLAS ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS
pantallametálicaA) SIN NEUTRO CORRIDO:
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corriente encorriente en
fallaconductor cargaB) CON NEUTRO CORRIDO:
corriente conductor detierra paralelo
pantalla transformador
conductor
TRAYECTORIA DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO CUANDO LA FALLADE FASE A TIERRA SE PRODUCE EN EL CABLE
corriente enconductor pantalla
metálicat i l
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conductor
metálicaterminal
fallasecundario deltransformador corriente en pantalla circula hacia los puntos
de aterrizaje o conexión de pantallas
1- Aterrizaje en un punto.
METODOS PARA REDUCIR PERDIDAS EN LAS PANTALLAS
fase A
L/2L
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2- Cross-bonding.
fase B
fase C
- Solo justificados por razones económicas - generalmente para corrientes mayores a 500 A- o en corrientes demasiado altas donde la generación de calor debe ser minimizada.
- Para la realización de estos métodos los empalmes (cuando existan) deben sercon interrupción de pantalla.
3L
fase A
fase B
fase C
fase Afase A
fase B fase B
fase C fase C
TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASE ATIERRA EN SISTEMAS CON LA PANTALLA ATERRIZADA EN UN SOLO PUNTO
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falla
secundario deltransformador
carga
pantallametálica
terminal
corriente enconductor
corriente enconductor detierra paralelo
conductor
TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASEA TIERRA EN SISTEMAS CON CROSS BONDING
8/20/2019 Componentes Cables
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falla
corriente enconductor conductor
terminal
corriente enpantallasecundario del
transformador
carga
pantallametálica
EN LOS SISTEMAS NO ATERRIZADOS NO CIRCULA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN CASO DE FALLA DE FASE A TIERRA
conductorterminal
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carga
pantallametálica
secundario deltransformador sin
aterrizar
falla
En estos sistemas el voltaje de las pantallas se eleva al voltaje de la fase
fallada; y el aislamiento de las fases sin fallar es sometido al voltaje defase a fase en lugar del normal de fase a tierra.
Vff = (3)1/2 Vo = 1.73 Vo
Vff = Voltaje de fase a fase.
Vo = Voltaje de fase a tierra.
A
B
C
Vo
Vo
Vo
Vff
120 °
120 °120 °
NIVEL DE AISLAMIENTO EN FUNCIÓN DE EL TIEMPO DEDESCONEXIÓN DE FALLAS A TIERRA
El nivel de aislamiento se selecciona en función del tiempo de liberación de una falla a tierra:
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100 %: Liberación de falla de fase a tierra en un tiempo menor o igual a un minuto.
173 %: Liberación de falla de fase a tierra en tiempo indefinido.133%: Liberación de falla de fase a tierra en un tiempo mayor a un minuto pero menor o igual auna hora.
x s en casos espec a es como ca es su mar nos o p an as s er rg cas que emp ean n ve esde aislamiento de 133 % o mayor.
Vff = (3)1/2 Vo = 1.73 Vo
Vff = Voltaje de fase a fase.
Vo = Voltaje de fase a tierra.
A
B
CVo
Vo
Vo
Vff
120 °
120 °120 °
DIMENSIONAMIENTO DE LA PANTALLA METALICA QUE VA A TRANSMITIRCORRIENTES DE CORTO CIRCUITO EN CASO DE FALLA DE FASE A TIERRA
corriente decorto
circuito
pantalla metálica
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conductor
+
+
= BTi
BTf
t
S K I ln
222
I = Corriente de corto circuto que va a circular por la pantalla (A)
Material K (A s1/2 / mm2) B (°C)Cobre
AluminioPlomoAcero
2261484178
234.5228230202
=t = Duración del corto circuito (s)S = Area de la sección transversal de la pantalla metálica (mm2)Tf = Temperatura final que es la que soportan los elementos que
rodean a la pantalla metálica (generalmente se toma = 200 °C)Ti = Temperatura inicial (°C)B = Constante que depende del material de la pantalla (°C)
Voltaje nominaldel cable (kV)
Temperatura inicial dela pantalla (°C)
5 a 2535 a 46
69 a 115
858075
Valores de las constantes para diferentestipos de materiales
Temperatura inicial de la pantalla para cables contemperatura del conductor de 90 °C
PANTALLAS ATERRIZADAS EN UN PUNTO
conductor f A
L/2L
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conductor
pantallametálica
terminal
fase A
fase B
fase C
limitadores devoltaje en pantalla
(cuando se
requiera)
Tensión inducida enextremo no aterrizado
conductor de tierraparalelo
- El conductor de tierra paralelo tiene la función de evitar que la corriente, en caso de falla a tierra,regrese por la tierra física, ya que esto induciría tensiones muy altas en la pantalla. También tiene la
función de igualar los potenciales de tierra los extremos de la instalación. El tamaño de este conductordebe seleccionarse de modo que soporte la corriente de falla del sistema.
- El conductor de tierra paralelo se transpone a la mitad del circuito para evitar que se induzcancorrientes en él.
COLOCACION DEL CONDUCTOR PARALELO DE TIERRA ENSISTEMAS CON PANTALLAS ATERRIZADAS EN UN SOLO
PUNTO
cableconductor
paralelo de tierra
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paralelo de tierra
Configuración trébol Configuraci n plana cercana
Configuración plana separada
S S
0.7S
CROSS BONDING
conductor
punto de empalmede cables
punto de empalmede cables
3L
LL
L
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fase A
fase B
fase C
fase Afase A
fase B fase B
fase C fase C
pantalla
metálica
terminal limitadores de voltajeen pantalla (cuando
se requiera)
Tensióninducida
- El cross bonding tiene por objeto neutralizar el voltaje inducido en la
pantalla de los cables y por lo tanto eliminar o reducir la corrienteinducida en la pantalla.L L
L
- El voltaje se neutraliza completamente (y por lo tanto no circulacorriente en las pantallas), solo si las tres longitudes (L) son iguales y siel arreglo es triangular equilátero ó con transposición.
Tensión inducidaen pantallas
Tensióninducida
tierra local
PERDIDAS EN SISTEMAS CROSSBONDING SECCIONALIZADOS CUANDOLAS LONGITUDES MENORES NO SON
IGUALES
)]323121(31[ LLLLLL x
++−=
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)]323121(31[ L L L L L L y
++
Donde:
x = pérdidas por calor en las pantallas con cross bonding (W/km)
y = pérdidas por calor en las pantallas aterrizadas en dos puntos (W/km)
L1, L2, L3 = Longitudes por unidad de las tres secciones menores,
esto es: L1+ L2+ L3 = 1
Ejemplo:
si L1 = 0.4, L2 = 0.2, L3 = 0.4x/y = 0.04; es decir que las pérdidas en la pantalla con cross bondingson 4 % de las pérdidas si se aterrizan las pantallas en dos puntos.
fase A
fase C
fase B fase A
fase Afase B
fase Bfase C
fase C
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123/136
CAJA DE CONEXION PARA REALIZAR EL CROSS BONDING
8/20/2019 Componentes Cables
124/136
conexión depantallas
limitador devoltaje en la
pantalla
cables coaxiales quevienen del empalme coninterrupción de pantalla
cable paraconexión a tierra
carcaza de la
caja
CAJAS DE CONEXION A TIERRA
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conexiones para
probar elaislamiento delas pantallas ylos limitadores
de volta e
cable paraconexión a tierra
carcaza de la
caja
cable de aterrizaje de laspantallas que viene de los
empalmes
500
600
TENSION INDUCIDA EN PANTALLAS METALICAS DE CABLES DE ENERGIA (DE PANTALLA ACONDUCTOR DE TIERRA) PARA VARIOS TIPOS DE FALLA, EN SISTEMAS CON LAS PANTALLAS
ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO (CABLES EN FORMACION PLANA)
m Y
P O R C
A D A
Dm/rg = 15 10 5
falla de fase a tierra
8/20/2019 Componentes Cables
126/136
300
400
L T S P O R
C A D A k m
A M P E R E S
falla de fase a fase
0
100
200
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.002 3 4 5 6 87 9 10 201 T E N S I O N I N D U C I D
A E N V
1 0 0
RAZON S / Dm
S = Distancia entre centros de cables, en mmDm = Diámetro medio de la pantalla, en mmrg = Radio medio geométrico del conductor de tierra, en mm ( para conductorescableados multiplicar el radio exterior por 0.75 )
falla trifásica
f = 60 Hz
500
600
TENSION INDUCIDA EN PANTALLAS METALICAS DE CABLES DE ENERGIA (DE PANTALLA APANTALLA) PARA VARIOS TIPOS DE FALLA, EN SISTEMAS CON CROSS BONDING
SECCIONALIZADO (CABLES EN FORMACION PLANA)
m Y
P O R C
A D A falla trifásica
8/20/2019 Componentes Cables
127/136
300
400
L T S P O R
C A D A k m
A M P E R E S
falla de fase a fase
0
100
200
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.002 3 4 5 6 87 9 10 201
T E N S I O N I N D U C I D
A E N V
1 0 0
S = Distancia entre centros de cables, en mmDm = Diámetro medio de la pantalla, en mm
RAZON S / Dm
falla de fase a tierra
f = 60 Hz
30
SELECCION DE LIMITADORES DE VOLTAJE ENPANTALLA
Curvas de descarga de limitadores de voltaje para pulsos de corriente de 8/20 µµµµs(corresponde a pulsos de voltaje de 1.2/50 µµµµs por la no linealidad del dispositivo)
Voltaje deoperación
8/20/2019 Componentes Cables
128/136
15
20
25
e d e s c a r
g a ( k V )
3 kV
4.5 kV
6 kV
7.5 kV
operaciónnominal:
0
5
10
0 10 20 30 40
Corriente del pulso (8/20 micro-s) (kA)
V
o l t a j e
9 kV
- El voltaje de operación nominal debe ser mayor o igual a la tensión inducida enla pantalla en condiciones de corto circuito.
- El voltaje de descarga del limitador debe ser menor al BIL de la cubierta.
LIMITADORES DE VOLTAJE EN PANTALLA(APARTARRAYOS)
- Deben limitar la tensión en la pantalla durante fallas, descargas atmosféricas y maniobrasde interruptores, para evitar perforación de la cubierta de los cables o del aislamiento que
interrumpe la pantalla en los empalmes, ya que esto ocasionaría que circularan corrientes enlas pantallas con el consiguiente sobrecalentamiento de los cables, además de corrosión enlas pantallas metálicas.
- Pueden ser resistencias no lineales, gaps de descarga o combinación en serie de ellos.
8/20/2019 Componentes Cables
129/136
PRUEBAS DE IMPULSO ATMOSFERICO (1.2 x 50 µµµµs) ACUBIERTAS DE CABLES DE ACUERDO A IEC 229
Pueden ser resistencias no lineales, gaps de descarga o combinación en serie de ellos.
Impulso nominal de soporte delaislamiento principal del cable
BIL(voltaje pico)
Voltaje de prueba al impulso(voltaje pico)
(10 impulsos + y 10 -)(kV)
(kV)V < 380
380 ≤≤≤≤V < 750750 ≤≤≤≤V < 1175
1175 ≤≤≤≤V < 1550V ≥≥≥≥ 1550
2037.547.5
62.572.5
Voltaje nominal del cable entre fases(kV)
BIL(kV)
5152535
4669
115230400
60110150200
250350550
10501425
IEC 229 “Tests on cable oversheaths which have a special protective function and are applied by extrusion”
8/20/2019 Componentes Cables
130/136
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera
8/20/2019 Componentes Cables
131/136
Area transversal
de pantalla
Resistencia aparente a 90 °C y 60 Hz
ohm/km
triangular equilátera.
metálica
mm2
39 mm 120 mm 250 mm
un punto* 0.0911 0.0899 0.0898
5.2 0.0921 0.0951 0.0994
66.8 0.1030 0.1440 0.1790
133 0.1110 0.1630 0.1900
* Aterrizaje de pantallas en un solo punto
Separación entre centros de cables
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 1)
8/20/2019 Componentes Cables
132/136
Area transversal
de antalla
Reactancia inductiva aparente a 60 Hz
ohm/km
triangular equilátera (continuación 1).
metálica Separación entre centros de cables
mm
2
39 mm 120 mm 250 mmun punto* 0.128 0.212 0.268
5.2 0.128 0.212 0.267
66.8 0.125 0.189 0.215
133 0.120 0.151 0.151* Aterrizaje de pantallas en un solo punto
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 2)
8/20/2019 Componentes Cables
133/136
Area transversal
de antalla
Impedancia aparente
ohm/km
triangular equilátera (continuación 2).
metálica
mm2
39 mm 120 mm 250 mmun punto* 0.157 0.230 0.283
5.2 0.158 0.232 0.285
66.8 0.162 0.238 0.280
133 0.163 0.222 0.243* Aterrizaje de pantallas en un solo punto
Separación entre centros de cables
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 3)
8/20/2019 Componentes Cables
134/136
Area transversal Corriente inducida en cada pantalla
triangular equilátera (continuación 3).
de pantalla
metálica
mm 39 mm 120 mm 250 mm
5.2 5.95 13.5 18.5
66.8 72.9 158 203
133 136 259 304
A
Separación entre centros de cables
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 4).
8/20/2019 Componentes Cables
135/136
Area transversal Pérdidas en la pantalla metálica
triangular equilátera (continuación 4).
metálica
mm2 39 mm 120 mm 250 mm5.2 0.01 0.06 0.10
66.8 0.13 0.59 0.98
133 0.22 0.79 1.10
Separación entre centros de cables
Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con
conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica
de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 5).
8/20/2019 Componentes Cables
136/136
Tensión inducida en cada antalla metálica
triangular equilátera (continuación 5).
39 mm 120 mm 250 mm
25.7 59.6 81.7
V/km
Separación entre centros de cables
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