PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS COMPUESTOS AISLANTES

En un principio, el esfuerzo inicial aplicado durante el desarrollo de compuestos aislantes fue dirigido a las características eléctricas. Las características mecánicas jugaban un papel secundario y estaban definidas por las propiedades intrínsecas de los materiales con que se había logrado la eficiencia máxima en las propiedades eléctricas. Tradicionalmente, la protección mecánica era proporcionada únicamente por la cubierta metálica y termoplástica o termofija. Ahora bien las propiedades mecánicas se pueden definir como aquellas que tienen que ver con el comportamiento ya sea elástico o inelástico de un material bajo fuerzas aplicadas.

Las propiedades mecánicas se expresan en función del esfuerzo ó de la deformación o ambas simultáneamente.

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El ensayo mecánico se ocupa de la determinación de las medidas mecánicas. Las mediciones primarias involucradas son la determinación de la carga y el cambio de longitud, éstos se convierten en términos de esfuerzo y de formación por las dimensiones de la probeta.

Las propiedades mecánicas fundamentales son la resistencia, la rigidez, la elasticidad y la capacidad energética. La resistencia de un material se mide por el esfuerzo según el cuál se desarrolla alguna limitación específica.

Probablemente la primera característica que viene a la mente respecto a un material es su resistencia mecánica; otras características serán elasticidad, ductilidad, punto de cedencia, dureza y tenacidad. Cada una de estas características está asociada con la habilidad de resistir esfuerzos mecánicos, pero en algunas ocasiones no se desea que los proyectos se opongan a toda deformación; a veces se desea que los soporten y en un grado preciso en resorte Por ejemplo: se pretende que cambie de forma bajo carga y que cuando esta se elimine, sea condición que no subsista deformación permanente.

Para lograr una base de trabajo y hacer comparaciones entre las propiedades estructurales y los efectos del comportamiento en servicio, se deberán de definir primero algunos de los más comunes términos de ingeniería. Los desarrollos recientes, realizados con base en las causas prevalecientes de fallas en cables; han sido enfocados a resaltar de igual forma las características mecánicas de los aislamientos, considerándolas junto con las de la cubierta. A continuación se mencionan algunas de las más importantes.

1.4.1 NIVEL DE AISLAMIENTO

Una vez seleccionado el material apropiado para el aislamiento del cable, es necesario determinar el espesor de acuerdo con el fabricante, tomando como base la tensión de operación entre fases y las características del sistema, según la clasificación siguiente:

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CLASE 1. NIVEL 100 %

Quedan incluidos en esta clasificación: los cables que se usen en sistema protegidos con relevadores que liberen fallas a tierra lo más rápido posible, en un tiempo no mayor a un minuto. Este nivel de aislamiento es aplicable a la mayoría de los sistemas con neutro a tierra y puede aplicarse, también, a otros sistemas (en los puntos de aplicación del cable) donde la razón entre la reactancia de secuencia cero y de secuencia positiva (X0/X1) no esté en el intervalo de -1 a -40,

y que cumplan la condición de liberación de falla. Esto se debe que, en los sistemas incluidos en el intervalo descrito, pueden encontrarse valores de tensión excesivamente altos en condiciones de fallas a tierra.

CLASE 2. NIVEL 133 %

Anteriormente, en esta categoría se agrupaban los sistemas con neutro aislado. En la actualidad, se incluyen los cables destinados a instalaciones en donde las condiciones de tiempo de operación de las protecciones no cumplen con los requisitos del nivel 100 %, pero que en cualquier caso, se libera la falla en no más de una hora.

CLASE 3. NIVEL 173 %

Los cables de esta categoría deben aplicarse en sistemas en los que el tiempo para liberar una falla no está definido. También se recomienda el uso de cables de este nivel en sistemas con problemas de resonancia, en los que se pueden presentar sobretensiones de gran magnitud [20].

1.4.2 COMPORTAMIENTO EN SERVICIO

Los cables aislados con XLP (Polietineno de Cadena Cruzada) y EP ( Etileno Propileno) fueron introducidos en servicio comercial en 5 kV y en mayores tensiones, a principios de 1961 y 1962, respectivamente. Desde entonces, se han instalado muchos kilómetros de cables con ambos aislamientos.

En general, las estadísticas de servicio para los dos materiales han sido satisfactorias. La mayoría de las fallas se han debido a daños mecánicos o a condiciones particulares del ambiente (Presencia de agua, etc.)

Se reconoce con amplitud que la presencia de agua representa la condición ambiental más severa que se puede encontrar en servicio, para cualquier tipo de material (EP “Etileno Propileno”, XLP “Polietileno de Cadena Cruzada”, PE

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“Polietileno”, PVC ”Policloruro de Vinilo”, etc.) que se utilice como aislamiento en cables de energía.

En particular, se sabe que los cables aislados son XLP (Polietileno de cadena cruzada) ó el EP (Etileno propileno), y complementados con pantalla sobre el aislamiento a base de cintas textiles semiconductoras, son susceptibles a la formación de arborescencias cuando se instalan en lugares húmedos. Y, si bien con el uso de semiconductores extruidos parece haber disminuido la incidencia de las fallas de este tipo, en pruebas de larga duración en agua se ha encontrado que se continúan desarrollando arborescencia potencialmente peligrosas.

Aunque los especialistas dedicados a la investigación de los mecanismos que rigen la presencia de arborescencias no tiene una explicación completa del fenómeno, han llegado a la conclusión de que, en la gama de esfuerzos de operación adoptados en la práctica, las arborescencias son causadas por tres factores concurrentes:

Presencia de agua directamente entre los intersticios del conductor.

Presencia de agua directamente en la pantalla semiconductora externa sobre aislamiento.

Tensión aplicada de c.a.

Irregularidades en el aislamiento (cavidades, impurezas, protuberancias en las pantallas semiconductoras)

En general, la presencia de estos factores causa una disminución en la vida del cable, disminución que es más pronunciada para el XLP (Polietileno de Cadena Cruzada) que para el EP (Etileno Propileno).