Estudio de problemas de compatibilidad dieléctrica en cables semi-aislados para redes de distribución

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

“ESTUDIO DE PROBLEMAS DE

COMPATIBILIDAD

DIELÉCTRICA EN CABLES SEMI-AISLADOS PARA REDES

DE DISTRIBUCIÓN”.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

OLVERA CONTRERAS JOSÉ DANIEL

ASESORES:

DR. FERMÍN PASCUAL ESPINOS CORTÉS M. EN C. JOSÉ ANTONIO CASTILLO JIMÉNEZ

ii En el presente trabajo se desarrolla una investigación acerca de los nuevos sistemas de distribución para redes aéreas compactas en media tensión (en este caso para un sistema de 23 kV), se presentan las causas que justifican su implementación y los problemas que pueden experimentar al ponerse en servicio en las líneas de distribución (LD).

Se muestran las características más importantes de cada uno de los sistemas, posteriormente se comparan sus propiedades para evaluar las ventajas y desventajas que se tienen con cada uno de ellos al ser implementados en LD.

Posteriormente se lleva a cabo una explicación detallada de cómo se realizó el modelado de dos tipos de sistemas de distribución (SD), Sistema Cable-Espaciador y Cable- aislado. Por medio de un paquete computacional para el modelado de campos electromagnéticos (COMSOL), se realizan simulaciones del comportamiento del campo eléctrico en el área de contacto de los dos tipos de SD bajo estudio.

Estos arreglos fueron simulados bajo diferentes configuraciones para pruebas de compatibilidad dieléctrica y de esfuerzo, con el fin de determinar los factores que modifican la concentración de campo eléctrico. Con el análisis de los resultados arrojados por las diferentes simulaciones y tomando en cuenta los factores importantes que afectan a estos sistemas, se determinó que el buscar que los materiales aislantes en contacto (cable – espaciador o cable –

aislador) tengan la misma permitividad ayudará a no elevar la intensidad de campo eléctrico; sin embargo, la intensidad de campo eléctrico puede aun así ser muy elevada por lo que es importante asegurar que estos materiales además tengan una alta resistencia a la erosión por descargas superficiales.

iii

RESUMEN ... ii

INDICE ... iii

ÍNDICE DE TABLAS ... vii

Capítulo 2 ... vii

Capítulo 3 ... vii

Capítulo 4 ... vii

ÍNDICE DE FIGURAS ... viii

Capítulo 2 ... viii

Capítulo 3 ... ix

Capítulo 4 ... xi

TERMINOLOGÍA Y SIGLAS ... xiii

DEFINICIONES GENERALES ... xiv

Capítulo I ... 1

Introducción ... 1

1.1. Generalidades ... 2

1.2. Descripción del Problema ... 2

1.3. Objetivos ... 3

1.3.1. Objetivo General... 3

iv

1.5. Estado del Arte ... 4

1.6. Alcances y Limitaciones ... 6

1.6.1. Alcances ... 6

1.6.2. Limitaciones ... 6

1.7. Estructura de la Tesis ... 6

Capítulo 2 ... 8

Sistemas de distribución con cables semi-aislados ... 8

2.1. Introducción ... 9

2.2. Sistemas de Distribución ... 9

2.3. Implementación de Cables Semi-aislados en Sistemas de Distribución ... 10

2.3.1. Sistema Conductor Desnudo ... 11

2.3.2. Sistema Cable Semi-aislado ... 11

2.3.3. Sistema Cable-Espaciador ... 15

2.3.4. Sistema Cable Trenzado ... 19

2.3.5. Estudio Técnico-Económico... 20

Capítulo 3 ... 26

Modelado de sistemas con cables semi-aislados ... 26

v

3.3. Modelo del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler ... 29

3.4. Modelo del Sistema Cable-Espaciador ... 37

3.5. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Espaciador ... 41

3.6. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler ... 44

Capítulo 4 ... 49

Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en la distribución de campo eléctrico en la superficie del conductor ... 49

4.1 Introducción ... 50

4.2 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del campo en el sistema Cable-Espaciador ... 51

4.3 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del campo en el sistema Cable-Aislador ... 54

4.4 Efecto de la forma de energizar un sistema de Cable semi-aislado y espaciador durante pruebas de compatibilidad ... 56

4.4.1 Energizando el sistema con alimentación trifásica ( ). ... 58

4.4.2 Energizando las tres fases al mismo potencial. ... 58

4.4.3 Energizando una fase a la vez con las restantes a tierra ... 60

Conclusiones ... 64

Trabajos Futuros ... 65

vii

Capítulo 2

Tabla 2.1 Tabla comparativa de la susceptibilidad a diferentes tipos de falla de diferentes sistemas de cables. ... 22

Tabla 2. 2 Inversión inicial y costos de operación – MEX$/Poste [19] ... 23

Capítulo 3

Tabla 3.1 Comportamiento del máximo campo eléctrico entre el espaciador y el cable

semi-aislado. 43

Tabla 3.2 Máximo campo eléctrico en los aisladores del modelo de la Figura 3.22. 45

Capítulo 4

Tabla 4. 1 Comportamiento del campo eléctrico máximo con el cambio de la Permitividad dieléctrica del cable semi-aislado y el espaciador. ... 54

Tabla 4.2 Comportamiento del campo eléctrico máximo entre el aislador tipo alfiler y el cable semi-aislado cuando se hace el cambio de las permitividades relativas, con la fase B a potencial nominal y las fases restantes con un potencial de -0.5Vn. ... 56

viii

Capítulo 2

Fig. 2.1 Sistema cable semi-aislado soportado por tres aisladores tipo alfiler para un SD aérea con un hilo de guarda como blindaje de la línea. ... 12

Fig. 2.2 Ilustración de un aislador tipo alfiler. ... 13

Fig. 2.3 Conductor semi-aislado de una sola capa para LD de 5kV [15]. ... 14

Fig. 2.4 Conductor semi-aislado de tres capas para LD cercanas a zonas arboladas de 15kV [15]. ... 14

Fig. 2.5 Conductor semi-aislado de dos capas para LD sin cercanía a zonas no arboladas de 15kV [15]. ... 14

Fig. 2.6 Conductor semi-aislado de tres capas para LD de 25kV [15]. ... 14

Fig. 2.7 Efectos producidos por la utilización de una capa semi-conductora en un conductor metálico semi-aislado [9]. (a) Cable con una sola capa y mayor concentración de campo eléctrico (efecto punta), (b) cable de dos capas una de ellas semi-conductora (en negro) que ayuda a reducir la concentración de campo eléctrico en el aislamiento. ... 15

Fig. 2.8 Fotografía tomada en Zitácuaro Michoacán, mostrando un sistema cable-espaciador. ... 16

Fig. 2.9 Sistema de Distribución utilizando un sistema cable-espaciador con conductores semi-aislados. ... 17

Fig. 2.10 Sistema Cable-Espaciador que entra en contacto con un árbol y un ave soportada por un conductor. ... 18

ix

Fig. 2. 13 Costo y confiabilidad de diferentes tipos de configuraciones utilizados en LD [9]22

Capítulo 3

Fig. 3.1 Diseño del aislador tipo alfiler que fue tomado del sistema de red aérea compacta

para 23kV propuesto [5]. ... 29

Fig. 3.2 Modelo de un aislador tipo alfiler en 2D realizado en AutoCAD. ... 30

Fig. 3.3 Extruido de un aislador tipo alfiler, para su modelado en 3D. ... 30

Fig. 3.4 Aislador tipo alfiler. ... 31

Fig. 3.5 Poste y cruceta realizados en AutoCAD, para montar los aisladores tipo alfiler vista 3D. ... 32

Fig. 3.6 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción en la parte interior del mismo, vista 2D. ... 33

Fig. 3.7 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción, vista 3D. ... 33

Fig. 3.8 Montaje del aislador tipo alfiler a la cruceta por medio del tornillo de sujeción. . 34

Fig. 3.9 Modelo del sistema cable-aislador vista posterior utilizado en las simulaciones. . 35

Fig. 3. 10 Modelo del sistema cable-aislador vista lateral. ... 36

Fig. 3.11 Modelo del sistema cable-aislador vista superior. ... 36

Fig. 3.12 Modelo del sistema cable-aislador vista en tres dimensiones. ... 37

x

Fig. 3. 15 Sistema cable-espaciador vista superior. ... 39

Fig. 3.16 Sistema cable-espaciador vista en tres dimensiones. ... 40

Fig. 3.17 Espaciador vista en tres dimensiones. ... 41

Fig. 3. 18 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3. ... 42

Fig. 3.19 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase B energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3. ... 42

Fig. 3. 20 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase C energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3. ... 43

Fig. 3.21 Área del brazo del espaciador (en azul) donde soporta al conductor y entra en contacto con el mismo, que fue utilizado para la medición del campo eléctrico en el espaciador. ... 44

Fig. 3. 22 Distribución de potencial en el modelo de un sistema de distribución de 23 kV, con la fase B a valor pico, y las fases A y C con un valores de la mitad del valor pico. ... 45

Fig. 3.23 Área del canal donde el aislador soporta a los conductores y de donde fueron tomadas las muestras de concentracón de campo eléctrico en los aisladores. ... 46

xi

la fase B y el cable conductor. ... 47

Fig. 3.26 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase y el cable conductor. ... 48

Capítulo 4

Fig. 4.1 Oscilograma de tensión de un sistema trifásico para mostrar los valores instantáneos de tensión en que se consideran en la simulación. ... 51

Fig. 4. 2 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 4. ... 52

Fig. 4. 3 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 5, permitividad relativa del aislamiento del cable 3. ... 53

Fig. 4. 4 Distribución de potencial en el modelo del sistema cable-aislador con cambio de permitividad relativa dieléctrica. Permitividad relativa del aislamiento del cable 3, permitividad relativa del espaciador 6; alimentado por la fase B a valor pico. ... 55

Fig. 4. 5 Configuraciones para energizar durante las pruebas de compatibilidad dieléctrica. ... 57

Fig. 4. 6 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fases A, B y C energizadas a tensión nominal. ... 59

xii

A energizada a tensión nominal mientras que las fases B y C se encuentran a un potencial igual con cero. ... 61

Fig. 4. 9 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase B energizada a tensión nominal mientras que las fases Ay C se encuentran a un potencial igual con cero. ... 62

xiii

Sistema Eléctrico de Potencia SEP

Líneas de Transmisión LT

Sistemas de Distribución SD

Líneas de Distribución LD

Polietileno reticulado XELP

Polietileno de alta densidad HDP

Intensidad de campo magnético _{[ ⁄ ] ̅}

Densidad de corriente de conducción _[ ⁄ ] ̅

Densidad de flujo eléctrico _{[ ⁄ ] ̅}

Intensidad de campo eléctrico _[ ⁄ ] ̅

Densidad de flujo magnético _{[ ]}, _[ ⁄ ] _̅

Densidad volumétrica de carga _[ ⁄ ]

Conductividad eléctrica _[ ⁄ ], _{[ ]}

Permeabilidad magnética _[ ⁄ ]

xiv Cable semi-aislado: Cable de un conductor de cobre, aluminio, (AAC) o aluminio con alma de acero (ACSR), con pantalla semiconductora extruida sobre el conductor y aislamiento-cubierta de polietileno de cadena cruzada (XELP) en color negro.

Campo Electrostático: Es cuando existe un campo eléctrico y tal vez cargas electroestáticas, siempre y cuando no haya variaciones con respecto al tiempo y que no exista corriente eléctrica ni campo magnético.

Permitividad Dieléctrica: Propiedad física de la materia que mide la facilidad que presenta un medio a formar dipolos (separación de cargas positivas y negativas) cuando está bajo la influencia de un campo eléctrico externo.

Permeabilidad Magnética: Propiedad física intrínseca de la materia que mide la facilidad que presenta un medio al paso del flujo magnético.

Conductor Semi-aislado: Es el componente del sistema para red aérea compacta que conduce la corriente de las redes aéreas y también provee protección al sistema contra contactos accidentales entre los conductores de las fases y de fase(s) a tierra.

Espaciadores: Es el componente del sistema para red aérea compacta que soporta y mantiene los conductores espaciados en los claros interpostales, deben colocarse a distancias entre 9 metros y 10 metros.

Aisladores: Es el componente del sistema para red aérea compacta donde se coloca el conductor, soporta la tensión mecánica de la línea aérea y facilita sus cambios de dirección, se colocan a través de pernos roscados tipo alfiler sobre crucetas en los postes.

xv confiabilidad a las redes y para reducir el espacio que ocupan las líneas abiertas.

1

2

1.1. Generalidades

El aumento en la demanda de energía eléctrica a nivel mundial ha generado un crecimiento rápido de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP’s), junto con el incremento en la complejidad de los mismos se ha elevado los criterios de calidad en el suministro de energía. La calidad de la energía está referida en buena parte a la continuidad del servicio, la cual es afectada considerablemente por salidas provocadas por fallas de líneas de transmisión y distribución (LT y LD). Las LT y las LD se diseñan de tal forma que los aisladores soporten mecánicamente a los conductores de fase, aislándolos eléctricamente de la estructura aterrizada evitando posibles fallas.

México cuenta con más de 700 000 km en su sistema de redes de distribución y transmisión, de los cuales el mayor kilometraje pertenece a las LD, líneas que además cuentan con el mayor número de niveles de tensión, a pesar de que el mayor porcentaje de crecimiento en casi diez años lo han tenido las LT. En lo que concierne al consumo de energía, la tasa de crecimiento poblacional ha ido incrementando, por lo tanto también la conexión de nuevos usuarios. La calidad de servicio que se les brinda a los usuarios que se encuentran conectados a la red se ha incrementado, gracias a la considerable reducción del tiempo de interrupción del servicio. Las interrupciones junto con otros problemas inciden en la confiabilidad de las redes, por lo que continuamente se buscan nuevas alternativas capaces de proteger los sistemas contra fallas, ya sean en distribución o transmisión [12].

1.2. Descripción del Problema

3 confiabilidad del sistema de redes de distribución. Sin embargo, todavía existen algunas situaciones que tienen que ir aclarándose en cuanto al uso de este tipo de sistemas.

Uno de los problemas que se presentan a lo largo de las redes de distribución aéreas con cables semi-aislados, es el deterioro de los cables y los espaciadores o aisladores que los soportan, ya que en el área de contacto entre estos se generan descargas superficiales. La presencia de descargas en esta zona se asocia con problemas de compatibilidad dieléctrica entre ambos componentes (cable y espaciador o cable y aislador). Por compatibilidad dieléctrica se entiende a que ambos materiales tienen las mismas propiedades (permitividad eléctrica principalmente). Este desgaste provoca el envejecimiento prematuro en los materiales empleados en las líneas de distribución, envejecimiento que pueden llegar a producir la falla completa de la LD y por consecuencia interrumpiendo el suministro de energía eléctrica. El daño en la superficie de los conductores ha sido un problema en los cables semi-aislados, por lo que ha sido utilizado como parámetro para verificar el efecto de la compatibilidad de los materiales, es decir, el efecto de posibles diferencias en las permitividades dieléctricas de los materiales. En este trabajo se verifica mediante simulaciones de campo eléctrico el efecto de diferencias en la permitividad eléctrica de los materiales. También se muestran las diferencias que pudieran existir en la distribución de esfuerzos con diferentes formas de energizar los sistemas con cables semi-aislados durante las llamadas pruebas de compatibilidad.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo General

4

1.3.2. Objetivos Particulares

 Verificar el efecto de la diferencia de permitividad dieléctrica de los materiales en la concentración de campo eléctrico en la interface entre cables semi-aislados y espaciadores o aisladores.

 Verificar la distribución de esfuerzos en diferentes configuraciones con cables semi-aislados y espaciadores durante pruebas de validación.

1.4. Justificación

Existen diversos factores que afectan el suministro de energía eléctrica, evitando que exista una plena continuidad en el servicio que se les brinda a los usuarios impidiéndoles así que estos continúen con sus actividades cotidianas que dependen del uso de la energía. Estos factores pueden ser provocados por la naturaleza o pueden ser provocados por el ser humano. Implementando líneas aéreas de distribución compactas en zonas rurales y urbanas se reduce el número incidencia de regímenes anormales y desprendimiento de cables, asegurando la continuidad del servicio y brindando protección a la fauna del área y a las personas que se encuentren cerca las LD.

Con el estudio y el modelado del campo eléctrico que puede producir un deterioro entre los cables semi-aislados y espaciadores o aisladores, se desea conocer que tipos de materiales pueden ser utilizados para que el deterioro sea el menor posible. Asegurando un mejor desempeño de los materiales en las líneas de distribución con cables semi-aislados, además se podrá ayudar a que los materiales, equipos e instalaciones tengan una mayor vida útil y con ello generar un ahorro económico y un mejor servicio.

1.5. Estado del Arte

5 mediana tensión y las propiedades con las que cuentan cada uno de éstos, especificando las ventajas y desventajas de los mismos. De igual manera, hace referencia a los factores importantes que afectan el desempeño de los conductores, además de que compara la confiabilidad de los sistemas en cuanto al costo que se genera al ser instalarlos y el rendimiento de vida útil. Así mismo, contiene información acerca de los diferentes tipos de recubrimientos utilizados para los conductores semi-aislados [1].

En el año 2008, James D. Bouford presenta un artículo en el cual menciona como el contacto de los árboles con las líneas de distribución ha sido uno de los principales factores para la interrupción del suministro de energía en Estados Unidos. De igual forma, presenta como a pesar de que la utilización de espaciadores y cables semi-aislados incrementa el costo de las instalaciones de líneas de distribución, éste crea un beneficio a largo plazo. También menciona como es que están constituidos los elementos utilizados (los espaciadores y conductores semi-aislados) en las líneas de distribución y como se ha tratado de contrarrestar los efectos de los campos entre los materiales por los cuales están constituidos los elementos, para reducir las interrupciones del sistema y hacerlo más confiable [4].

En el año 2010, M. Lehtonen presenta un artículo en la IEEE acerca del incremento de la demanda del servicio de la energía eléctrica en Finlandia, y como se ve afectada la calidad del suministro por razones: técnicas, fenómenos naturales, fauna, comportamientos inapropiados de la población o el conjunto de varios de estos factores. También presenta la frecuencia de incidencia de las fallas en las redes de distribución, comparando la confiabilidad que tienen los diferentes tipos de sistemas de distribución al estar sometidos a los diferentes factores ya mencionados y dependiendo de la zona en la que se encuentren instalados. De igual manera menciona como la tendencia a remplazar los conductores desnudos por los conductores semi-aislados, ha reducido el porcentaje de fallas generadas en las LD [7].

6 distribución del campo eléctrico es mayor en el punto de contacto entre ambos elementos y como al tomar en cuenta mayor número de puntos de contacto entre ellos (número de elementos del mallado), los resultados obtenidos se aproximaban a valores más exactos [17].

1.6. Alcances y Limitaciones

1.6.1. Alcances

La finalidad de esta tesis es llevar a cabo el modelado de las piezas en LD que utilizan cables semi-aislados que sufren un desgaste alrededor del área de contacto, y con esto proporcionar información que pueda ser útil, especificar los parámetros que deben de cumplir los cables semi-aislados, los espaciadores o aisladores.

Las simulaciones se realizaron en tres dimensiones para poder reproducir de la mejor manera posible la configuración que se tiene en un sistema real. Se simularon sistemas espaciador-cable y aislador-espaciador-cable.

1.6.2. Limitaciones

Aunque se utilizó un servidor con gran capacidad computacional para realizar las simulaciones no fue posible reducir al mínimo los errores numéricos, esto fue debido al tamaño del modelo en tres dimensiones.

1.7. Estructura de la Tesis

La presente tesis contiene 5 capítulos enumerados de la siguiente manera:

7 El Capítulo II, Sistemas de Distribución con cables semi-aislados, presenta las partes componentes de un sistema de distribución, además de las diferentes configuraciones empleadas para la las líneas aéreas compactas de distribución.

El Capítulo III, Modelado de sistemas con cables semi-aislados, muestra cómo se llevó a cabo el diseño y el modelo de los sistemas simulados además de explicar el procedimiento para el cálculo de campo eléctrico.

El Capítulo IV, Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en la distribución de campo eléctrico en la superficie del conductor, presenta el estudio del comportamiento del campo eléctrico en los diferentes sistemas bajo simulación. Se realizan un cambio de la permitividad relativa de los materiales y se analiza su efecto en la magnitud del campo eléctrico. Asimismo presenta el estudio de la distribución del campo eléctrico en diferentes configuraciones utilizadas para energizar el sistema cable-espaciador durante pruebas de compatibilidad.

8

Capítulo 2

9

2.1. Introducción

En este capítulo se describen algunos tipos de sistemas de distribución así como cuáles han sido las nuevas técnicas implementadas para mejorarlos. Se comparan los diferentes tipos de sistemas de distribución, partiendo de los sistemas con cables desnudos para posteriormente describir los sistemas con cables semi-aislados con espaciadores y/o aisladores, se enlistan las ventajas y desventajas de utilizar alguno de estos tipos en las LD aéreas de media tensión.

2.2. Sistemas de Distribución

Los Sistemas de Distribución (SD) se encargan de transportar la energía eléctrica de una Subestación Eléctrica (SE) a los diferentes usuarios que requieren del servicio por medio de elementos especiales de uso específico y dar paso a distribución de la energía. Los transformadores de distribución, las Líneas de Distribución (LD) primarias y secundarias, acometidas y medidores; son algunos de los principales equipos e instalaciones que componen al SD. El estado en que se encuentren estos componentes se verá reflejado en la calidad y continuidad del suministro energético que se brinde a los usuarios, permitiéndoles utilizar los equipos que dependan del uso de energía eléctrica para realizar actividades a lo largo del transcurso del día [16]. La distribución de energía eléctrica debe llevarse a cabo con redes bien diseñadas que sean capaces de soportar el crecimiento propio de la carga, y que además sus componentes sean de la mejor calidad posible para que resistan los efectos de la intemperie a los que se verán sometidos durante su vida útil además del efecto del campo eléctrico que se crea en las LD. Actualmente existen cuatro tipos de configuraciones aéreas para LD, tres de ellos buscan disminuir el número de fallas que se generan en los SD, estos arreglos son [1]:

 Conductor desnudo

 XELP/HDP Conductores semi-aislados  Sistemas de cables trenzados

10

2.3. Implementación de Cables Semi-aislados en Sistemas de

Distribución

Existen muchos factores que afectan el servicio continuo de la energía en las LD, es por eso que se buscan otros medios que sean capaces de brindar mayor seguridad y mayor calidad de servicio a consumidores. Debido a las continuas interrupciones, se buscó una forma de evitarlas, es así como el uso de los cables desnudos ha sido paulatinamente desplazado por el uso de cables semi-aislados, los cuales disminuyeron en un porcentaje considerable el número de fallas en LD. Por ejemplo, pueden evitar salidas cuando existe el desprendimiento de ramas que tocan en los cables semi-aislados de dos a más fases, el desprendimiento de los cables de los postes de distribución y los incidentes con la fauna que habita en la zona que llegan a tener contacto con los cables de distribución [7].

El crecimiento poblacional en nuestro país y en todo el mundo ha dado origen a una mayor demanda del servicio de energía eléctrica, esta circunstancia ha obligado a las empresas generadoras a promover cambios en la infraestructura de los sistemas de distribución debido a que éstos son los más afectados. Los factores de crecimiento son determinantes esenciales para que se lleve a cabo la modernización y expansión de las líneas aéreas de distribución. La implementación de nuevas y distintas formas de arreglos de cables conductores, tiene la finalidad principal de reducir y aprovechar los espacios aéreos disponibles para los SD sin en entorpecimiento de las instalaciones [7, 12]. Una de las configuraciones, la cual es motivo de modelado y análisis más adelante, consta de colocar tres aisladores tipo alfiler en postes de concreto y otra configuración que se compone de espaciadores poligonales en y entre postes, estas dos configuraciones transportan cables semi-aislados y son capaces de soportar, dirigir y dar protección a los cables conductores que les serán instalados, ya sea en zonas urbanas o rurales.

11

2.3.1. Sistema Conductor Desnudo

Para las LD los conductores desnudos son comúnmente utilizados para el suministro de energía eléctrica. En un principio este tipo de instalación con conductor desnudo resultó muy barato, pero esta configuración comenzó a presentar el gran inconveniente de aumentar el número de interrupciones o variantes de tensión en el suministro de energía. Las principales causas a las que se debe estos incrementos, fue debido al desprendimiento de ramas que quedaban soportadas por dos o más fases, los choques constantes entre los conductores de las fases y la contaminación de los cables o vandalismo, que en ocasiones crean daños irreparables en los cables conductores. La consecuencia de los daños irreparables en los conductores, es una pérdida económica debido a que la reposición de los mismos es la única solución para tan grave problema, pero además se afectaba de manera importante la calidad del servicio [1]. La protección de este sistema, depende únicamente del nivel de aislamiento que le proporciona el aire contra posibles contactos entre fases o con objetos externos (ramas, aves, etc.), y precisamente es por estos factores que se ha buscado proteger mejor las LD, por ejemplo implementando sistemas con cables semi-aislados para LD.

2.3.2. Sistema Cable Semi-aislado

12 Fig. 2.1 Sistema cable semi-aislado soportado por tres aisladores tipo alfiler para un SD aérea con un hilo de

13 En cuanto a la Figura 2.2, se muestra un aislador tipo alfiler, este aislador es uno de los modelos utilizado actualmente en las LD, como protección para posibles descargas parciales que puedan presentarse entre la fase y la tierra, que en este tipo de sistema seria la cruceta el punto más cercano a tierra.

Fig. 2.2 Ilustración de un aislador tipo alfiler.

14 para diferentes tipos de tensión y aplicaciones, de los cuales el recubrimiento blanco representa el polietileno natural.

Fig. 2.3 Conductor semi-aislado de una sola capa para LD de 5kV [15].

Fig. 2.4 Conductor semi-aislado de tres capas para LD cercanas a zonas arboladas de 15kV [15].

Fig. 2.5 Conductor semi-aislado de dos capas para LD sin cercanía a zonas no arboladas de 15kV [15].

Fig. 2.6 Conductor semi-aislado de tres capas para LD de 25kV [15].

15 cuando se utiliza el recubrimiento semiconductor. Esto ayuda a reducir los esfuerzos en los medios aislantes.

Fig. 2.7 Efectos producidos por la utilización de una capa conductora en un conductor metálico semi-aislado [9]. (a) Cable con una sola capa y mayor concentración de campo eléctrico (efecto punta), (b) cable de dos capas una de ellas semi-conductora (en negro) que ayuda a reducir la concentración de campo eléctrico en el

aislamiento.

2.3.3. Sistema Cable-Espaciador

16 Fig. 2.8 Fotografía tomada en Zitácuaro Michoacán, mostrando un sistema cable-espaciador.

La Figura 2.9 nos presenta como está constituido un sistema cable-espaciador, donde se observa que los espaciadores van colocados a determinada distancia unos de otros para otorgarle forma al sistema y que los conductores no entren en contacto. Esta fotografía fue tomada sobre las calles de Zitácuaro Michoacán. A pesar de que no se aprecia que el sistema esté expuesto a factores que lo afecte, conforme avanzan las líneas, el sistema se encuentra mayormente expuesto a la fauna y flora de la zona.

A

B

C

18 propio sistema, sin embargo no se genera daño alguno ni al sistema ni a la fauna de la zona y el suministro de energía continua sin interrupciones.

Fig. 2.10 Sistema Cable-Espaciador que entra en contacto con un árbol y un ave soportada por un conductor. De igual manera cabe destacar que otra de las ventajas que proporciona este sistema a las LD, es que para una línea se pueden instalar más de dos circuitos además de que se pueden acoplar para que en los mismos postes se instalen cables de telecomunicación. En la Figura 2.11 se muestra como en un solo poste soporta tres líneas de distribución, implementando el sistema cable-aislador y el sistema cable-espaciador. Esta Figura fue tomada en el estado de Veracruz.

19 Fig. 2.11 Sistema mixto para líneas compactas y multi-circuito de una LD.

2.3.4. Sistema Cable Trenzado

20 comparación del cuarto que es de tierra, de igual forma como se puede observar su recubrimiento aislante puede ser una simple capa de polietileno o puede ir más reforzado.

Fig. 2.12 Sistema cable trenzado para líneas aéreas de distribución.

2.3.5. Estudio Técnico-Económico

Para poder evaluar la viabilidad económica de un sistema de distribución con cables semi-aislados es importante considerar también los ahorros que pudieran obtenerse al incrementar la confiabilidad de los sistemas. El contar con sistemas que estén menormente expuestos a interrupciones del servicio repercute en ahorros económicos no solo para la reducción de gastos por mantenimiento sino también en las pérdidas que sufren los usuarios.

21 descargas, lo cual aunque pueda ser más costoso, a la larga puede representar un mejor desempeño y mayor vida útil.

El implementar los nuevos sistemas para la distribución de energía eléctrica que se han mencionado anteriormente, implica un incremento del 20 al 60% en costo total de la instalación de estos sistemas en comparación a los sistemas actuales que utilizan cables desnudos. El costo adicional es en una buena parte debido al recubrimiento aislante de los conductores, el hilo de guarda, los espaciadores y aisladores que requieren ser instalados en los postes de distribución. Sin embargo, es importante recordar que existe un notable incremento en la confiabilidad del sistema, ya que las interrupciones debidas al contacto con árboles o por otras causas externas al SD se reducen hasta un 90%. Además el tiempo de interrupción en el suministro de energía en los sistemas cable semi-aislado, cable espaciador y cable trenzado reduce en un 24, 72 y 80% respectivamente. El mejor desempeño de estos sistemas no solamente es debido al recubrimiento aislante de los conductores, sino también al hilo de guarda que protege a los conductores del desprendimiento de ramas sobre las LD y contra descargas atmosféricas [4, 19].

22

Fig. 2. 13 Costo y confiabilidad de diferentes tipos de configuraciones utilizados en LD [9]

En la Tabla 2.1 se comparan los cuatro diferentes sistemas, donde se enumeran según la susceptibilidad a sufrir diferentes tipos de falla. La numeración de los sistemas va del 1 al 4, considerando el número 4 como la peor calificación (más susceptible) que pueden recibir y el número 1 como la mejor (menos susceptible). Estas características se deben de tomar en cuenta al realizar un estudio sobre el costo-beneficio de los sistemas.

Tabla 2.1 Tabla comparativa de la susceptibilidad a diferentes tipos de falla de diferentes sistemas de cables. Característica Conductor

Desnudo

Cable Semi-aislado

Cable Espaciado

Cable Trenzado

Fallas Eléctricas 4 3 2 1

Fallas Mecánicas 4 2 1 3

Tamaño 4 3 2 1

Deterioro Químico/Físico 1 2 3 4

Costo 1 2 3 4

Confiabilidad 4 3 2 1

23 ambiente

Del análisis de la Tabla 2.1 y de la Figura 2.13, podemos determinar que el aumento en el costo de los SD con cables semi-aislados se debe a la capacidad que tienen para soportar los diferentes factores a los que se encuentran sometidos los SD. De esta forma, por las propiedades de los SD con cables aislados, un ahorro considerable se puede obtener en la reducción de mantenimiento preventivo y/o correctivo a largo plazo. Los valores de costo total de mantenimiento e inversión inicial se reducen desde un 18 hasta un 30% dependiendo del sistema que se desee instalar [19].

En la Tabla 2.2 se muestran los resultados de un estudio presentado en [19], el cual se comparan los diferentes sistemas con cable aislado respecto a un sistema de distribución con cables desnudos. Es importante mencionar que el costo social fue considerado en ese estudio como el costo que origina la interrupción del servicio, el cual fue tomado como 35 veces el costo de la energía, más detalles se pueden ver en la referencia [19].

Tabla 2. 2 Inversión inicial y costos de operación – MEX$/Poste [19]

Descripción

Cables Desnudos Cables

Semi-Aislados Cable-Espaciador Cables Trenzados Zona Arbolada Sin Árboles Zona Arbolada Sin Árboles Zona Arbolada Sin Árboles Zona Arbolada Sin Árboles

Inversión Inicial 12,051 13,780 15,912 19,604

Mantenimiento

Preventivo 5,993 2,509 3,107 2,002 1,014 286 442 91

Mantenimiento

Correctivo 871 442 130 169

Costo Total (%) 18,915 15,431 17,329 16,185 17,056 16,328 20,215 19,864

100 100 92 105 90 106 107 129

Costo Social 2,691 2,054 897 520

Costo Global (%)

21,606 18,122 19,383 18,239 17,953 17,225 20,735 20,384

24 Comparando las inversiones iniciales que se requieren para la implementación de los nuevos SD con los gastos que se destinaran al mantenimiento preventivo y/o correctivo de las líneas, a largo plazo, es por mucho más barato costear el servicio de mantenimiento que requerirán los nuevos SD. Analizando los datos de los precios que contiene la Tabla 2.2, se determina que la implementación de estos sistemas en zonas de alta concentración de árboles, existe una mayor disminución en los costos de mantenimiento que en zonas sin árboles, sin embargo cabe mencionar que la cercanía de las LD a edificios es un factor importante y que se debe de tomar en cuenta para la instalación de los nuevos SD. Lo que respecta al mantenimiento preventivo de los sistemas cable semi-aislado, cable-espaciador y cable trenzado, el presupuesto se reducirá en un 48-20, 88-83 y 96-92% respectivamente, además de que dependerá de la zona donde se instalará el sistema (ya sea en un área de alta concentración de árboles o sin árboles alrededor de las LD) comparado con el sistema con cables desnudos. Mientras que el presupuesto utilizado para el mantenimiento correctivo, disminuye el costo del servicio hasta un 50, 15 y 20%, respectivamente, del presupuesto correspondiente del mantenimiento al sistema con cables desnudos [19].

A continuación se enumera un listado de las ventajas que se obtienen con la implementación de los sistemas de distribución con cables semi-aislados que pueden influir en la decisión de asumir un costo extra:

 Reducen el número de fallas

 Se minimiza el presupuesto utilizado para el mantenimiento de las LD  Incrementan la confiabilidad de los SD

 Ofrecen mayor seguridad a los grupos encargados de dar mantenimiento a las líneas y a terceros

 Posibilidad de instalar más de un circuito por poste

 Reducen los accidentes con LD (choques entre conductores)

25  Reducen el derecho de vía

 Minimizan el presupuesto utilizado para librar las LD en zonas arboladas  Los daños al medio ambiente son menores

26

Capítulo 3

27

3.1.

Introducción

En este capítulo se da una breve introducción al tema de distribución del campo eléctrico entre aisladores, para poder comprender el fenómeno que se presenta debido a la interacción de los elementos empleados en los SD (entre el cable semi-aislado y aisladores o espaciadores). Igualmente se presentan las simulaciones de los componentes que se utilizan actualmente en los SD aéreas, mediante un programa capaz de calcular el campo eléctrico en tres dimensiones que se produce entre los aisladores, espaciadores y los cables semi-aislados.

3.2.

Cálculo del campo eléctrico

La determinación del campo eléctrico es útil para la evaluación del efecto que tiene el mismo sobre las diferentes propiedades dieléctricas de los materiales y los tipos de configuraciones. Debido que para cada tipo de configuración el campo eléctrico tenderá a comportarse de manera diferente cuando se le es aplicado un potencial, es decir, puede incrementar o puede reducirse la intensidad del campo.

Para llevar a cabo el análisis en el presente trabajo, se considera que el potencial aplicado crea un campo electroestático, el cual es un campo vectorial resultante del gradiente de V. El considerar el campo como electroestático significa que no se consideran campos inducidos, por no existir corrientes significativas en los sistemas aislantes evaluados en este trabajo. Partiendo de la ecuación de la ley de Gauss para campos eléctricos, mostrada en la Ecuación (3.1), que describe que el gradiente de la densidad de flujo eléctrico es directamente proporcional a la densidad volumétrica de la carga.

̅ Ec. (3.1)

Donde D la densidad de flujo eléctrico se define como el producto de la permitividad eléctrica por la intensidad de campo eléctrico, como se muestra en la Ecuación (3.2).

28 Sustituyendo la Ecuación (3.2) en la Ecuación (3.1), obteniendo de esta forma la Ecuación (3.3).

̅ Ec. (3.3) Considerando que la densidad volumétrica de carga es igual a cero, la Ecuación (3.3) se puede igualar a cero, además como se mencionó anteriormente al no existir inducción magnética, entonces:

̅ Ec. (3.4)

Sustituyendo de esta forma la Ecuación (3.4) en (3.3) y despejando el gradiente de potencial aplicado, se obtiene la Ecuación (3.5) que hace referencia a la ecuación de Poisson.

Tomando en cuenta las consideraciones pasadas, donde la densidad volumétrica de carga es igual a cero, como se muestra en la Ecuación (3.6). Se obtiene la Ecuación (3.5), que da paso a la Ecuación (3.7), mejor conocida como ecuación de Laplace de un campo escalar:

Ec. (3.6)

Ec. (3.7)

29

3.3.

Modelo del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler

En las simulaciones, se llevaron a cabo diferentes pruebas que consistieron en el cambio de las propiedades dieléctricas de los materiales que conforman a los elementos bajo prueba utilizados en los sistemas de distribución aérea compacta, espaciadores tipo poligonales y aisladores tipo alfiler. Los diseños de los elementos se realizaron con la similitud posible a los equipos reales, para que el programa al momento de resolver los sistemas de ecuaciones muestre un comportamiento lo más aproximado posible a los fenómenos reales que se presentan en los sistemas de distribución [10, 11].

En primera instancia se diseño el aislador, el poste, la cruceta y los conductores en

“AutoCAD”, siguiendo las especificaciones y medidas dadas por las normas mexicanas e

internacionales. Para ello primero se realizó el perfil de un aislador tipo alfiler como se muestra en la Figura 3.1 para trabajarlo en 2D, después darle un volumen hasta obtener la figura en 3D del aislador.

30 El diseño del perfil se tomó de [5] para una red aérea compacta 23kV, una vez tomadas las medidas, el diseño se pasó a AutoCAD con la finalidad de poder modelarlo en 3D y poder realizar las simulaciones de forma más realista, como muestra la Figura 3.2 [5].

Fig. 3.2 Modelo de un aislador tipo alfiler en 2D realizado en AutoCAD.

Una vez realizado el perfil en 2D, se trabajó sobre la pieza para darle volumen y obtener un sólido, de esta forma al se da paso a la Figura 3.3, donde se muestra ya un objeto solido en 3D de un aislador.

31 La Figura 3.4 muestra la vista lateral inclinada de la Figura 3.3 para que se pueda apreciar la profundidad del diseño del aislador y como está constituido el mismo.

Fig. 3.4 Aislador tipo alfiler.

32 Fig. 3.5 Poste y cruceta realizados en AutoCAD, para montar los aisladores tipo alfiler vista 3D.

Para el diseño del poste no se consideró completamente la altitud del mismo, ya que al

importar el diseño al programa de simulación “COMSOL”, la altura no es un factor importante

33 Fig. 3.6 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción en la parte interior del mismo, vista 2D.

En la Figura 3.6 se observa el tornillo, que en este caso está siendo simulado por un cilindro que fija al aislador con la cruceta, mientras que en la Figura 3.7 se muestra desde una perspectiva inferior en tercera dimensión el aislador, donde podemos observar que el sólido contiene ya insertado el tornillo en su interior para fijar el aislador a la cruceta.

34 La Figura 3.8 se muestra el montaje del aislador tipo alfiler sobre la cruceta que está sujeta al poste de concreto.

Fig. 3.8 Montaje del aislador tipo alfiler a la cruceta por medio del tornillo de sujeción.

Posteriormente, al ver terminado el diseño de los elementos y haberlos unidos era necesario insertar el elemento principal que es el conductor semi-aislado. Para el diseño de este conductor se consideró solamente de una capa, ya que en el campo normalmente solo se encuentran instalados estos tipos de conductores.

Una vez terminado el modelo en AutoCAD, se procedió a exportar la estructura a el programa COMSOL para detallar con mayor precisión las partes que la conforman, además de anexarle los conductores que soportan los aisladores tipo alfiler y limitar el área en la que se encuentra la misma estructura para poder insertar las condiciones bajo las cuales estará sometido el sistema y así poder realizar la simulación.

35 cruceta, la Figura 3.11 una vista del sistema desde un punto inferior y por último la Figura 3.12 muestra una perspectiva en 3D de la forma peliminar del sistema simulado en el programa. Cabe destacar que el área que rodea al sistema es una frontera limitante del propio sistema que simula fronteras abiertas, reduciendo así el tamaño del modelo.

36

Fig. 3. 10 Modelo del sistema cable-aislador vista lateral.

37 Fig. 3.12 Modelo del sistema cable-aislador vista en tres dimensiones.

3.4.

Modelo del Sistema Cable-Espaciador

38 Fig. 3.13 Modelo del sistema cable-espaciador vista frontal utilizado en las simulaciones.

39

Fig. 3. 14 Sistema cable-espaciador vista lateral.

En la Figura 3.15 se aprecia el mismo sistema, sin embargo desde una vista superior, de igual forma se presenta resaltada una línea en la parte central de la figura, donde por el tipo de vista, indica que el hilo de guarda queda por encima del conductor de fase.

40 Finalmente se muestra el sistema en la Figura 3.16, con una vista en tercera dimensión para para su mejor apreciación.

Fig. 3.16 Sistema cable-espaciador vista en tres dimensiones.

41 Fig. 3.17 Espaciador vista en tres dimensiones.

3.5.

Modelado del Campo Eléctrico del Sistema

Cable-Espaciador

42

Fig. 3. 18 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3.

43

Fig. 3. 20 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase C energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3.

Los datos recopilados en la Tabla 3.1, especifican la magnitud del campo encontrado en cada una de las fases para los tres casos diferentes, es decir, alimentando consecutivamente la fase A, B y C con el valor pico. Destacando que el comportamiento del campo eléctrico varía dependiendo de la fase que sea alimentada, como podemos observar en la Tabla 3.1. Al alimentar por la fase B la concentración del campo es de mayor magnitud en la fase alimentada y en las restantes existe una concentración menor, en cambio cuando se alimenta por la fase C la magnitud es menor (en la fase) y se tiene un balance en cuanto a la magnitud del campo en las tres fases.

Tabla 3.1 Comportamiento del máximo campo eléctrico entre el espaciador y el cable semi-aislado.

Número de Fase Campo Eléctrico [E] [ ]

Alimentando la fase A Alimentando la fase B Alimentando la fase C

A

B

44 Para obtener los valores de campo eléctrico en los brazos del espaciador, se tuvo que seleccionar el contorno del área en donde entran en contacto los conductores y el espaciador, como se muestra en la Figura 3.21, ya que es en esa zona específica donde se concentra la mayor cantidad del campo eléctrico en el espaciador.

Fig. 3.21 Área del brazo del espaciador (en azul) donde soporta al conductor y entra en contacto con el mismo, que fue utilizado para la medición del campo eléctrico en el espaciador.

3.6.

Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Aislador

tipo alfiler

En este caso en la simulación que se presenta en la Figura 3.22 se aplicó una tensión con valor pico en la fase B, mientras que las fases A y C se mantenían con valores negativos de la mitad de la tensión aplicada al sistema. En las siguientes dos simulaciones se intercalaron los valores pico, es decir, en la segunda simulación se aplicó un valor pico a la fase A, mientras que las fases B y C cuentan con un valor de -0.5 el valor pico de la tensión del sistema de 23 kV, en la última simulación se aplicó la tensión de valor pico por fase (C) y dejando las otras dos fases restantes con un valor de -0.5 el valor pico. Los valores de permitividad relativa considerados en este caso son de 3 para el aislador y 3 para el aislamiento del cable.

45 consideraron de izquierda a derecha, es decir, fase A, fase B y fase C. La Tabla 3.2 muestra los valores obtenidos en las simulaciones.

Fig. 3. 22 Distribución de potencial en el modelo de un sistema de distribución de 23 kV, con la fase B a valor pico, y las fases A y C con un valores de la mitad del valor pico.

Tabla 3.2 Máximo campo eléctrico en los aisladores del modelo de la Figura 3.22.

Número de Fase Campo Eléctrico [ ]

Alimentación por A Alimentación por B Alimentación por C

A

B

C

46 todas las pruebas que se les hizo a los aisladores, fue este contorno el que se tomó en cuenta para registrar el campo eléctrico.

Fig. 3.23 Área del canal donde el aislador soporta a los conductores y de donde fueron tomadas las muestras de concentracón de campo eléctrico en los aisladores.

47 Fig. 3.24 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase A y el cable

conductor.

48 Fig. 3.26 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase y el cable

49

Capítulo 4

Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en

la distribución de campo eléctrico en la superficie del

50

4.1

Introducción

En este capítulo se muestra el estudio detallado del efecto de la compatibilidad dieléctrica en los sistemas conductor-espaciador y conductor-aislador. También se analizan los efectos en la intensidad del campo eléctrico diferentes formas de alimentación durante pruebas de compatibilidad. Para llevar a cabo las diferentes simulaciones se consideró que el sistema trifásico con valores instantáneos con una relación Vn:-0.5Vn:-0.5Vn para cada una de las fases

respectivamente. Vn es el valor pico de la tensión definido por:

√

√ Ec. 4.1

Mientras que:

51 Fig. 4.1 Oscilograma de tensión de un sistema trifásico para mostrar los valores instantáneos de tensión en que se

consideran en la simulación.

4.2

Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del

campo en el sistema Cable-Espaciador

52 Una diferencia de permitividad dieléctrica entre los elementos utilizados en las LD, se refleja en un cambio de la intensidad de campo eléctrico en zonas de contacto. Esta diferencia determina la intensidad de campo entre los materiales, dependiendo de los valores de permitividad dieléctrica de los elementos del sistema, la concentración podrá a aumentar o a disminuir.

La Figura 4.2 muestra el efecto de una diferencia en la permitividad de los materiales. Modificando y aumentando únicamente la permitividad relativa del espaciador, podemos observar en la Tabla 4.1 los valores obtenidos de las barras indicadoras que se encuentra al costado derecho de cada figura, que la concentración de campo eléctrico aumenta cada vez que se modifican los valores de permitividad del espaciador. Para el caso de la Figura 4.2 se tomó en cuenta el cambió de la permitividad relativa del conductor, es decir, el espaciador se mantiene con un valor constante de 3 mientras que el recubrimiento aislante del conductor con un valor de 4.

53 En cambio cuando se modifican y varían las permitividades del conductor semi-aislado la concentración de campo, a pesar de que aumenta, se considera moderada en comparación de la figura anterior (Figura 4.2) donde se modificaba la permitividad del espaciador. Estos cambios se observan en la Figura 4.3.

Fig. 4. 3 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 5, permitividad relativa del aislamiento del cable 3.

54 Tabla 4. 1 Comportamiento del campo eléctrico máximo con el cambio de la Permitividad dieléctrica del cable

semi-aislado y el espaciador.

Fase Permitividad Relativa

A

C E C E C E C E C E C E C E

3 6 3 5 3 4 3 3 4 3 5 3 6 3

4.3

Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del

campo en el sistema Cable-Aislador

55

Fig. 4. 4 Distribución de potencial en el modelo del sistema cable-aislador con cambio de permitividad relativa dieléctrica. Permitividad relativa del aislamiento del cable 3, permitividad relativa del espaciador 6; alimentado por la fase B a valor pico.

Los datos registrados en la Tabla 4.2, muestran el comportamiento del campo eléctrico máximo mientras el sistema está siendo alimentado por la fase B a un potencial nominal y las dos fases restantes a un potencial de -0.5Vn, y cambiando los valores de permitividad

56 Tabla 4.2 Comportamiento del campo eléctrico máximo entre el aislador tipo alfiler y el cable semi-aislado cuando se hace el cambio de las permitividades relativas, con la fase B a potencial nominal y las fases restantes

con un potencial de -0.5Vn.

Concentración de campo en Fase

Permitividad Relativa

Conductor Aislador Conductor Aislador Conductor Aislador

3 3 3 6 3 7

A

B

C

Analizando los datos obtenidos podemos determinar que gran parte de la concentración de campo eléctrico dependerá de la diferencia de permitividad de los materiales que se vean involucrados en el sistema. De igual forma, se observa que el campo aumenta considerablemente cuando la diferencia de permitividad es excesiva por las propiedades de los materiales del sistema, tal es el caso para las dos últimas simulaciones. No solamente la concentración de campo aumenta en la fase que se encuentra a tensión nominal, si no que en las fases restantes (A y C) también existe un incremento de un poco más de la mitad del campo máximo presente en el sistema. Esto implica que es muy importante encontrar materiales con permitividades compatibles, ya que de esa forma se reduce el esfuerzo eléctrico en todo el sistema.

4.4

Efecto de la forma de energizar un sistema de Cable

semi-aislado y espaciador durante pruebas de compatibilidad

57 conocidas como de compatibilidad y sirven para probar diferentes propiedades de los materiales o diseños. Existen tres tipos de configuraciones que se utilizan para probar el sistema cable-espaciador, que intentan poner a prueba la efectividad del propio sistema simulando los posibles factores a los que estará sometido cuando sea instalado. Estas tres pruebas se representan en la Figura 4.5, y son las siguientes:

 Energización del sistema con alimentación trifásica ( Figura 4.5 (a)).

 Una sola fase para alimentar el arreglo, es decir, los tres conductores de fase con la misma tensión (Figura 4.5 (c)).

 Energización de una fase a la vez con las restantes a tierra (sistema monofásico), intercalando la posición de la fase en otros espaciadores (Figura 4.5 (b)).

Fig. 4. 5 Configuraciones para energizar durante las pruebas de compatibilidad dieléctrica.

58

4.4.1

Energizando el sistema con alimentación trifásica (

).

Como se mostró en el capítulo anterior este procedimiento consiste en alimentar los tres conductores que son soportados por el espaciador, dos de ellos a un potencial menor al potencial nominal como se explica al principio de este capítulo con ayuda de la Figura 4.1. Este método se aplica intercalando las tres fases por separado bajo las condiciones antes mencionadas y es la condición que realmente se presenta en los sistemas una vez en operación. El comportamiento que se obtuvo con esta simulación es el mismo visto en la sección 3.4, debido a que la simulación se realizó bajo las mismas condiciones. Con los datos obtenidos en la Tabla 3.1, se determina que el comportamiento del sistema se encuentra en un SD compacto real.

4.4.2

Energizando las tres fases al mismo potencial.

El procedimiento que se llevó a cabo para realizar esta simulación, constó en suponer tres conductores semi-aislados soportados por un espaciador, y los tres conductores se encuentran al mismo potencial (una sola fase). Este proceso se lleva a cabo en pruebas a los SD compactos por medio de un alimentador de una sola fase que pasa a través de los tres canales o ganchos que soportan a los conductores, esto debido a que solamente se cuenta con un transformador monofásico para realizar las pruebas y aplicarles potencial.

59 del hilo de guarda y no se presenta en las fases, la magnitud máxima de concentración de campo promedio es de aproximadamente _⁄ .

Fig. 4. 6 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fases A, B y C energizadas a tensión nominal.

60 Fig. 4.7 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el espaciador y el hilo de guarda,

cuando se energizan las tres fases a tensión nominal.

4.4.3

Energizando una fase a la vez con las restantes a tierra

61 tierra. Este proceso se llevó a cabo para las tres posiciones del conductor energizado y tomando los otros dos restantes conectadas a tierra. A continuación en las Figuras 4.7, 4.8 y 4.9; se muestran los resultados de simulación de las tres configuraciones.

62

Fig. 4. 9 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase B energizada a tensión nominal mientras que las fases Ay C se encuentran a un potencial igual con cero.

63 Como se puede observar de las tres Figuras anteriores (4.7, 4.8 y 4.9), en el borde de las fases sometidas a potencial resalta un color rojizo el cual es señal de un alto esfuerzo y concentración de campo eléctrico. Sin embargo la concentración del campo en cada uno de los casos el comportamiento de la magnitud varía y tiende a disminuir mientras más alejada se encuentra la fase sometida a potencial del hilo de guarda.

En la Tabla 4.3 se concentran todos los datos obtenidos de la prueba, donde el comportamiento del campo eléctrico máximo cambia dependiendo de la fase que sea alimentada, ya que mientras más lejos esté el conductor con potencial nominal, la concentración de campo en las fases disminuye. Los recuadros rellenos con color azul de la Tabla 4.3, indican la fase que está siendo alimentada a tensión nominal, de igual forma que para indicar la concentración máxima de campo eléctrico en el sistema y observar como disminuye según se aleja del hilo de guarda (potencial cero).

Tabla 4.3 Máximo campo eléctrico en el espaciador por su forma característica de alimentación, una fase con potencial nominal y las otras dos con potencial a tierra.

Fase Campo Eléctrico [ ]

Alimentando la fase A Alimentando la fase B Alimentando la fase C

A

B

64

Conclusiones

Existen diversos factores que afectan la continuidad de los sistemas de distribución, entre los más comunes están: los ambientales, la fauna e inclusive comportamientos inapropiados de la población. Estos provocan que el flujo de energía sea interrumpido o que exista un deterioro prematuro de los elementos instalados en los SD. Lo anterior se ve reflejado en una reducción de la confiabilidad del sistema y por lo tanto de la calidad de la energía eléctrica que es suministrada por las compañías eléctricas.

Con la implementación de nuevas configuraciones y materiales utilizados en los sistemas de distribución, se han reducido considerablemente el número de interrupciones en el suministro de energía, demostrando mejorías en la calidad de servicio brindado a los usuarios. Sin embargo, aún no se logra contrarrestar los efectos negativos que provocan la presencia de altos campos eléctricos generados en la zona de contacto de dos o más materiales que cuentan con permitividades distintas.

Esta diferencia de permitividad dieléctrica entre materiales, crea desgastes prematuros en los conductores, espaciadores y aisladores debido a la alta concentración de campo eléctrico y su distribución en el área de contacto en los equipos en cuestión. Descargas superficiales en estas zonas pueden llegar a dañar el recubrimiento aislante así como a los espaciadores o aisladores que pueden llegar a sufrir desprendimiento de fragmentos componentes de los mismos e incluso la caída de los cables.

65 mencionar que de cualquier manera el campo es muy intenso, por lo que el uso de materiales de alta resistencia a la erosión por descargas superficiales es la mejor opción.

En el caso del sistema aislador-cable semi-aislado, al presentar una diferencia significativa la permitividad del aislador (usualmente de cerámica) con respecto a la del cable el campo es mayor que en el caso del espaciador.

Como se mostró en el capítulo 4, la configuración que se utilice para energizar un sistema bajo pruebas de compatibilidad, modificará considerablemente los resultados de distribución de esfuerzos. Es necesario que la prueba reproduzca lo que el sistema vera una vez en campo, por lo que energizar con un sistema trifásico resulta la opción más adecuada.

Trabajos Futuros

Un obstáculo para el tema fue la experimentación, ya que los laboratorios con los que se cuentan no tienen los equipos o elementos ni el espacio para llevar a cabo pruebas, además de que el costo de los materiales requeridos puede ser muy costoso . Por lo tanto un avance en el tema implicaría realizar pruebas experimentales para comprobar o compararlas con las simulaciones realizadas.