DESCRIPCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA

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U

NIVERSIDAD

V

ERACRUZANA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA

REGION POZA RICA.TUXPAM

TEMA:

“DESCRIPCIÓN DE LINEAS DE TRANSMISION SUBTERRANEA DE 115 KV A 135 KV.”

TESINA DE LICENCIATURA:

QUE PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE

EXPERIENCIA RECEPCIONAL

PRESENTAN:

LUIS JAVIER GARCIA FONSECA JESUS MANUEL MARIN GONZALEZ

DIRECTOR

ING. DIONICIO RANGEL ORTA

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INTRODUCCION

En la actualidad, el futuro a largo plazo de las líneas de transmisión subterráneas en México todavía es incierto. El aumento debido al calentamiento global orillara a los países en desarrollo a aumentar su capacidad de generación de Energía Eléctrica en rangos de 5 a 10 GW debido al consumo eléctrico de sistemas de aire acondicionado, lo que ha dado como resultado cargas máximas de incrementación a elevadas temperaturas ambiente. Este aumento crecerá a medida que el petróleo y el gas natural sean más escasos.

Hoy en día los circuitos subterráneos se usan principalmente en distancias cortas, tanto en áreas urbanas como suburbanas, para requerimientos especiales como son cruzamientos de agua, aeropuertos y bajo las autopistas. En países desarrollados de Europa tales como Inglaterra, Francia y otros se han instalado una relativa gran cantidad de instalaciones ocultas, existen anillos subterráneos alrededor de las ciudades más grandes en los que se tienen líneas de transmisión de altos voltajes, de donde se alimentan los cables de bajo voltaje que entran en la ciudad (por ejemplo 66 kv en Londres).

En el desarrollo futuro de sistemas mayores, la generación de energía se puede concentrar en unidades muy grandes, o en parques remotos (alrededor de 10 GW) alejados de grandes áreas urbanas, resultando una necesidad ambiental de conexiones subterráneas de muy alta capacidad, que vayan desde las plantas de energía hasta los sistemas de líneas elevadas ubicados a cierta distancia de allí. En forma inversa, las áreas urbanas y suburbanas serán alimentadas por líneas subterráneas abastecidas del mayor sistema elevado. Finalmente se podrán usar ciertos circuitos subterráneos, de 5 a 10 GW de capacidad para distancias de 80 km (50 millas) y más.

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También los problemas ambientales de usar líneas elevadas, para los niveles de voltaje ultra alto que requieran las cargas futuras.

En este trabajo se plantean los factores y ecuaciones a considerar en el cálculo de líneas de transmisión subterráneas en un rango de 115 kV a 135 kV.

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INDICE INTRODUCCION

CAPITULO I--- 1

1.1 JUSTIFICACION--- 2

1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO--- 4

1.3 ENUNCIACION DEL TEMA--- 5

1.4 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO--- 6

CAPITULO II--- 8

DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA DE LA INVESTIGACION--- 9

MARCO CONTEXTUAL--- 10

1.0 ANTECEDENTES--- 11

1.1 Sistemas de Cables Convencionales--- 14

1.2 Instalación Subterránea--- 23

1.3 Conductores y Fundas--- 29

1.4 Conexiones y Terminaciones--- 34

1.5 Comportamiento Eléctrico de los Cables en un Sistema de Energía--- 48

1.6 Elementos Principales de una Línea de Transmisión Subterránea--- 56

2.0 TIPOS DE AISLAMIENTO--- 59

2.1 Aislamiento de Papel Impregnado con Aceite--- 59

2.2 Aislamiento Sintético--- 73

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2.4 Tensiones en Cables Coaxiales--- 83

2.5 Tiempo de Duración del Aislamiento--- 87

2.6 Desarrollo Futuro de los Cables Llenados con Aceite--- 98

3.0 FUNCIONAMIENTO TERMICO--- 108

3.1 Calculo de la Temperatura y del Flujo de Calor-Ideas Básicas--- 110

3.2Resistencia Térmica--- 116

3.3 Características del Terreno--- 123

3.4 Pérdidas--- 127

4.0 SISTEMA DE CABLES DE C.A. CONVENCIONALES--- 131

4.1 Sistemas Autocontenidos--- 131

4.2 Cables Dieléctricos Extruidos--- 138

4.3 Comparación entre Sistemas de Cables Autocontenidos y Tipo Tubo--- 142

4.4 Parámetros Eléctricos de los Cables Autocontenidos y Tipo Tubo Llenados con Aceite--- 144 CAPITULO III--- 162 CONCLUSIONES--- 163 BIBLIOGRAFIA--- 164 ANEXOS--- 165 ANEXO A--- 166 ANEXO B--- 169 ANEXO C--- 171

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 1

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1.1 JUSTIFICACION

Actualmente en nuestro país no hay un problema crítico sobre la energía que motive la investigación y desarrollo de nuevas formas de transmitirla en forma subterránea. En esta investigación se dan algunas de las bases que sirven para la instalación y calculo de este tipo de líneas.

En México el uso de líneas subterráneas será una opción para instalar redes de transmisión eléctrica, conforme el tiempo avanza nuestro país se va desarrollando, por lo que tiende a incrementar la demanda de energía eléctrica, por el mayor número de consumidores, nuevas fabricas o industrias, escases de recursos naturales trayendo como consecuencia el utilizar nuevos conductores que a su vez traen consigo aumento de contaminación, así como desastres naturales que afectan las redes y en muchas ocasiones derriban los postes y los conductores trayendo con esto la instalación de nuevas redes en su totalidad.

Se tendrán estos problemas al usar líneas elevadas para los niveles de voltajes altos que requerirán las cargas futuras, bien puede ser que al tener limitaciones de derecho de vía para su instalación y espacios disponibles, se tengan que utilizar circuitos subterráneos.

Habrá más problemas para transmitir la energía eléctrica a través de grandes áreas urbanizadas debido a la pérdida progresiva de espacio por la expansión de las pequeñas ciudades y el crecimiento de la población, tanto para los circuitos cableados, como para otro tipo de instalación; por ejemplo de gas y agua.

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Con todos estos factores es inminente que en un futuro no muy lejano la mayor demanda de energía, el crecimiento de nuestro país, la escases de hidrocarburos, el crecimiento urbano, la limitación de espacio para instalar redes aéreas y el aumento de la contaminación den como resultado el tomar en cuenta la instalación de redes de transmisión subterránea para el transporte de la energía eléctrica.

En gran medida este trabajo está dirigido a estudiantes o a lectores que estén interesados en el tema. Se espera que sirva como introducción útil para quien haga estudios sobre la transmisión de energía subterránea.

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1.2 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO

La naturaleza del presente trabajo está dentro de la modalidad de tesina por las características que presenta.

Sabemos que es frecuente el caso de que una central generadora de energía eléctrica amplié su potencia instalada, con lo que las líneas existentes pueden ser no aptas para la nueva potencia que haya que transportar. Conociendo la tensión nominal, la distancia, el tipo de suelo y el número de conductores por fase, podemos determinar la potencia característica así como los demás aspectos eléctricos.

Las características eléctricas importantes en el diseño y la operación en las líneas de transmisión. De todos modos puede asegurarse que cuanto mayor sea el voltaje de transporte más conveniente será la solución de transformación. Además, para la elección correcta de un sistema que mejor se adapte a las necesidades o mejor dicho, para elegir la distribución de conductores mas optima, es también realizar unos análisis económicos, en el cual abarquen, entre otras cosas, los tipos y características del conductor o conductores, etc.

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1.3 ENUNCIACION DEL TEMA

El crecimiento de la población y así mismo el crecimiento en la demanda de energía eléctrica, han llevado a algunas centrales generadoras a ampliar su rango de potencia suministrada, traduciéndose en situaciones complicadas para algunos sistemas de transmisión. Debido a que los parámetros para las que fueron diseñadas son, en varias ocasiones, menores a las que se requieren en la nueva disposición.

También llega a existir el inconveniente de que en voltajes muy elevados, las pérdidas de energía por diversos factores se incrementan, originado así, deficiencias en el suministro de electricidad, disminución de la vida útil de los conductores, entre otras. Todas estas circunstancias se reflejan en pérdidas económicas para la compañía suministradora y en la inconformidad de los usuarios para un mejor servicio.

El uso de líneas de transmisión subterránea mejora el rendimiento de las líneas disminuyendo las pérdidas ocasionadas por radiación y la potencia a transmitir puede ser mayor. Es importante elegir el mejor sistema de transmisión que se ajuste a las necesidades técnicas como económicas requeridas, ya que una mala decisión podría afectar la calidad del servicio, o la economía del usuario y de la compañía suministradora. La construcción de líneas de transmisión subterráneas es una alternativa muy útil en los casos en que las plantas generadoras elevan su potencia instalada y las líneas actuales no son aptas para la nueva potencia que se va a transportar. En dichos casos, el objetivo es brindar el servicio con las menores perdidas posibles, y con una mejor calidad para el usuario.

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1.4 EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO

Esta tesina está fundamentada en tres capítulos, los cuales a continuación se describen brevemente.

CAPITULO I: En este capítulo se describe la importancia que tiene este trabajo

dentro del campo de Ingeniería Mecánica Eléctrica, sobre todo en el ámbito industrial y profesional. Este comprende la justificación, naturaleza sentido y alcance del trabajo, enunciación y la explicación estructural de la investigación, esto para obtener buenos fundamentos sobre la importancia del análisis y selección de una línea de transmisión subterránea que en un futuro serán de gran utilidad en nuestro país.

CAPITULO ll: DESARROLLO DEL TEMA: Este capítulo se dividen en cuatro

subtemas que son:

Antecedentes. En esta sección se muestra de manera breve lo sistemas de

cables convencionales que estos a su vez se adaptan al sistema de transmisión y quedan sujetos a la red de energía y a los niveles de voltaje. Se proporcionara una lista breve de materiales empleados en conductores y sus respectivas propiedades. Se nombraran algunas de las partes constitutivas de una línea de transmisión subterránea.

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Tipos de aislamiento. Se muestran los diversos materiales de uso común en

cables. Se mencionaran las diferentes formas de aislamiento como son; el aislamiento de papel impregnado con aceite, aislamiento sintético, las arborescencias, se indica que existen tres tipos de tensiones en los cables coaxiales, el tiempo de duración del aislamiento, se plantean el desarrollo futuro de los cables para líneas de transmisión subterráneas y se nombran brevemente los cables LPOF autocontenidos, accesorios cables tipo tubo.

Funcionamiento térmico. En este subtema se analiza el área general del

funcionamiento térmico. En las resistencias térmicas se dan a conocer los métodos de cálculo de estas para los sistemas de cables. Se describe la clasificación de suelos y las pérdidas que existen en un sistema de cables.

Sistemas de cables de C.A. convencionales. Se indican las ventajas y

desventajas de los cables autocontenidos y tipo tubo. Así como los cables dieléctricos extruidos, el comportamiento entre sistemas de cables autocontenidos y tipo tubo. Así como los parámetros eléctricos de los cables autocontenidos y tipo tubo.

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2.1 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACION

El desarrollo del presente trabajo en su modalidad de tesina se realizo como una investigación fundamentada en documentación, recopilada y seleccionada de bibliografías existentes sobre líneas de transmisión subterránea, páginas de internet, y documentos cuya información sobre el tema pudo relacionarse de una u otra forma con los contenidos aquí tratados.

La información recopilada, se selecciono empleando una estructura con criterio propio de organización y definición, pero literalmente factible de comprender para el usuario.

Los subtemas están organizados de manera secuencial, es decir que cada tema expuesto enlaza el siguiente, salvo en aquellos casos en los cuales se acepta y considera que se tiene conocimientos previos y básicos de algunos conceptos que permiten comprender lo aquí tratado.

Así también se anexaron dibujos, imágenes y tablas que permitan proporcionar un panorama más amplio y objetivo con respecto a aquellos temas donde se requieren datos técnicos o informativos.

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2.2 MARCO CONTEXTUAL

El proyecto del estudio técnico de la Transmisión de Energía subterránea se lleva a cabo en diferentes partes del mundo y en algunos lugares de nuestro país, debido a que dicha Transmisión de Energía subterránea tiene más demanda en los países desarrollados de Europa, ya que en nuestro país apenas comienzan a trabajar con este tipo de transmisión ya que las líneas aéreas son más eficientes en México por su extenso territorio, pero en un futuro tendremos que utilizar este tipo de transmisión ya que será mayor la demanda del consumo de Energía Eléctrica y las redes aéreas no serán suficientes para transportar toda esa energía requerida.

Actualmente la Comisión Federal de Electricidad es una empresa del gobierno mexicano que genera, transmite, distribuye y comercializa energía eléctrica para cerca de 34.2 millones de clientes, lo que representa a más de 100 millones de habitantes, e incorpora anualmente más de un millón de clientes nuevos. La infraestructura para generar la anergia eléctrica está compuesta por 178 centrales generadoras con una capacidad instalada de 51,571 megawatts (MW). El 23.09% de la capacidad instalada corresponde a 22 centrales construidas con capital privado por los Productores Independientes de Energía (PIE).Para producir la energía se utilizan diferentes tecnologías y fuentes de energía primaria. Tiene centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, carboeléctricas, geotermoeléctricas, eoloeléctricas y una nucleoeléctrica. Las redes de distribución eléctrica en México se encuentran interconectadas unas con otras a lo largo de toda la republica. Para conducir la electricidad desde las centrales de generación hasta el domicilio de cada uno de sus clientes, la CFE tiene más de 745 mil kilómetros de líneas de transmisión y de distribución. El suministro de energía eléctrica llega a cerca de 137 mil localidades (133,390 rurales y 3,356 urbanas) y el 96.85% de la población

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utiliza la electricidad. Por lo que se considera en un futuro la instalación de líneas de transmisión subterráneas.

1.0 ANTECEDENTES

Los alambres aislados se emplearon por primera vez para el telégrafo, hacia la primera mitad del siglo XIX. Los alambres aislados en la transmisión subterránea de energía se emplearon por primera ocasión en la década de los años 1880 aproximadamente, casi en forma simultánea de Edison (en EUA) y Ferranti (en Londres) para sistemas eléctricos de iluminación. Los cables rígidos estaban formados por barras de cobre aislado con envoltura de yute. La confiabilidad de estos alambres era razonable, y la mayoría de los problemas se debieron al gran número de uniones o empalmes necesarios en un sistema rígido, en el que el conductor no puede ser enrollado en un carrete.

En un proyecto subsecuente, Ferranti pensó en una nueva forma de aislamiento-papel impregnado con cera Ozokerita (subproducto que se obtiene en la fabricación de velas). Con este cable nació la versión moderna de encintado de papel. El cable Ferranti de 10 kV, está formado por dos tubos concéntricos (conductores), aislados uno de otro por el papel impregnado. Los conductores eran tubos de cobre soldado de 20.7 mm y 49.5 mm de diámetro respectivamente. Para cumplir con las leyes de comunicaciones, Ferranti tuvo que cubrir el tubo exterior (funda) con capas adicionales de papel, y a colocar el cable en un tubo de hierro. En la ruta, que tenía una longitud de 7.5 millas, se colocaron 4 cables que comprendían alrededor de 7000 juntas. En un lapso de 42 años se presentaron relativamente pocas fallas en las juntas y el cable fue remplazado solo debido a la necesidad de incrementar la corriente en el circuito. A este tipo de conductor rígido siguió el rápido desarrollo de un cable flexible torcido y, para 1898, la máxima tensión en el aislamiento fue de 2.1 kV/mm (cable de una fase). Se investigaron y usaron muchos materiales aislantes, incluyendo papel, algodón, gutapercha, betún

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vulcanizado y hule. En Búfalo (N.Y.), en 1897, se instalaron cables de hule vulcanizado de 11 kV y en San Paul y Minneapolis cables de 25 kV en 1900. En 1895 ya se disponía de papel impregnado con aceite, secado al vacio y con aceite caliente para 10 kV (circuitos de una fase).

En un principio, en EUA con frecuencia se colocaban los cables en ductos, debido a que la legislación dominante solo permitía a las autoridades correspondientes abrir huecos en una ciudad. Las compañías eléctricas rentaron un paso a través de los ductos dispuestos.

En este caso se emplearon cables de un solo núcleo, con aislamiento de hule, debido a su mayor flexibilidad, en comparación con el tipo papel-aceite y esta influencia persiste actualmente en EUA, con el uso generalizado que se hace del aislamiento elastomérico de un solo núcleo a diferencia de Inglaterra en donde se emplean los cables papel-aceite colocados en forma directa en los huecos.

A estos voltajes más bajos se usaron cables de papel aislante (tipo solido) impregnados de aceite (masa impregnada), frecuentemente con los tres conductores contenidos en una sola funda. Los tres conductores se torcieron y aislaron en forma separada y después fueron colocados juntos en espiral.

El espacio entre y alrededor de los conductores aislados, fue empacado con papel o yute para formar una superficie circular, la que a su vez se envolvió con un aislamiento. Este cable se llama tipo ―cinturón‖ (véase figura 1) y puede tener un blindaje de alambre de acero sobre la funda, debido a que en dichos alambres sólo se inducen pequeñas corrientes de Eddy, mientras que los cables de un solo conductor pueden dar por resultado pérdidas severas y aumento en la impedancia.

Con los cables de tres núcleos, las altas tensiones eléctricas se disponen tangencialmente a la superficie del papel aislante, en cuya dirección la fuerza de insulación es más débil.

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Para superar este problema, se envuelve cada núcleo en una capa conductora de papel metalizado, lo cual, desde el punto de vista eléctrico, convierte al cable en tres conductores simples, con la tensión eléctrica totalmente en dirección radial. Este tipo de cable fue introducido por Hochstadter y se conoce como tipo ―H‖. Conforme aumenta el voltaje del sistema a más de 33 kv, el cable tipo solido de papel-aceite aumenta su tendencia a la ruptura debido a las bolsas (pequeñas cavidades llenas de aire o gas) que se forman en el asilamiento cuando las partes constituyentes del cable se contraen y expanden a diferentes tamaños por el calor desprendido en los ciclos de carga. La tensión a través de estas bolsas es alta y da lugar a las descargas locales, produciendo el calor que carboniza el papel; al final se presenta la ruptura total.

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1.1 SISTEMAS DE CABLES CONVENCIONALES.

Los cables de transmisión de potencia convencionales consisten de una estructura conductora rodeada por un sistema dieléctrico que sostiene la presión del dieléctrico y protege el cable del ambiente. El medio de presión es un fluido dieléctrico o de gas de nitrógeno. El material del conductor es cuerdas de cobre o aluminio, dependiendo de las condiciones económicos en el momento de fabricación. El dieléctrico es papel impregnado de aceite secado al vacío. El último es conocido, como un cable autónomo.

El cable se debe adaptar al sistema de transmisión en forma natural, y quedar sujeto a la red de energía y a los niveles de voltaje. En caso de que exista una mayor demanda de carga, para satisfacerla es posible extender una red que se encuentre a un voltaje dado, pero el final habrá un límite, ya que los niveles de corto circuito resultan más altos y debido a que, en un momento dado, la planta puede carecer de la capacidad requerida. Así es necesario introducir un nuevo voltaje con su correspondiente red traslapada a la original. Otro que provoca la introducción de voltajes más altos, es el considerable aumento en la dificultad para obtener ―derechos de vía‖ para los circuitos. Como a mayor voltaje se puede transmitir una mayor cantidad de energía por una línea (o cable), se requiere una menor cantidad de circuitos.

En Inglaterra la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a 400 kV, con algunos circuitos a 275 kV. La extensiva red de 132 kV ha sido designada como distribución en vez de transmisión, y es probable que en algunos otros países se

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le conozca como subtransmisión. Algunas veces se utiliza 66 kV para cables particularmente en la ciudad de Londres.

En casi toda Europa la mayor parte de la transmisión de voltaje se realiza a 400/420 kV, con algunos circuitos a 225/245 kV, 145 kV y 72.5 kV. En Norteamérica la transmisión de voltaje más alta se hace a 765 kV, seguida por 500 kV, 345 kV, 230 kV y 138 kV en México el voltaje utilizado es de 115 kV. Las dificultades que surgen con los cables de masa impregnada, se resolvieron llenando el cable con aceite a baja presión. En 1926, se introdujo en Italia el cable lleno con aceite a baja presión, autocontenido (LPOF), el cual todavía se usa extensamente en la actualidad.

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En la figura 1.1 Se ilustra la sección recta de la sección de un cable de 275 kV de alta capacidad de este tipo, y en la figura 1.2 una sección de una junta o empalme de un extremo a otro.

Figura 1.2 Junta recta o de un extremo a otro para cable autocontenido de 275 KV llenado con

aceite (1) tapa de contacto (2) electrodo de control de tensión (3) relleno de resina epóxica fundida (4) aislamiento de papel (5) camisa de cobre (6) aislante transversal (7) aceite de aislamiento

En el cable lleno con aceite, el hueco central se llena con aceite aislante que se mantiene bajo presión por medio de reservas que alimentan el cable a lo largo de la ruta. A medida que el cable se calienta con la carga el aceite es impulsado desde éste hasta las reservas y viceversa, impidiendo así la creación de bolsas.

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En las instalaciones de gas a presión, el nitrógeno con una presión de varias atmósferas mantiene una presión constante sobre una funda interior, comprimiendo el dieléctrico, lo que también evita la formación de bolsas.

En EUA los núcleos aislados con papel/aceite se instalan en un tubo rígido que contiene aceite aislante, y con esto ya no se requiere el ducto conductor de aceite.

Figura 1.3 Perspectiva de un cable tipo tubo llenado de aceite a alta presión

Las dificultades existentes en dicho país para mantener una zanja abierta durante el tiempo necesario para enterrar de forma directa el cable autocontenido (LPOF), han obligado a utilizar un cable tipo tubo, lleno con aceite, en el que los 3 núcleos aislados con cinta de papel se introducen en un tubo previamente enterrado, a través de los agujeros de hombre que se han abierto a intervalos a lo largo de la ruta (ver la sección recta de las figuras 1.3 y 1.4)

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 18 Figura 1.4 Sección recta de un cable tipo tubo dentro de una zanja

Después de haber colocado los núcleos, se llena el tubo con aceite aislante que se mantiene bajo una presión de 1.38 MN/m2 (200 lb/pulg2).

Este cable se conoce como tipo tubo, lleno con aceite de alta presión (HPOF), y su uso se ha generalizado en EUA y otros países. Por lo general, el tubo se suministra en tramos de 20 m (60 ft) de longitud y se sueldan en el sitio empleando anillos de refuerzo.

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Durante la instalación se debe tener gran cuidado para impedir que la humedad penetre en el tubo y, al terminar las labores del día, es necesario llevar el tubo y llenarlo con gas seco. Los carretes que contienen los conductores aislados se sellan herméticamente al salir de la fábrica. La instalación del cable tipo tubo se debe realizar en un día seco y, como las operaciones de ajuste requieren de precisión y de absoluta limpieza, se deben observar límites estrictos tanto de temperatura como de humedad.

El cable autocontenido (LPOF), se termina totalmente y se sella en la fábrica, después se transporta con su contenido de aceite que se mantiene a una presión aproximada de una atmósfera.

Otro método que se usa para prevenir la cavidad debida a la formación de bolsas, consiste en utilizar un gas inerte, como por ejemplo, el nitrógeno, el cual ejerce presión sobre papel dieléctrico. En general, existen dos tipos básicos:

A) Cable de compresión externa, en el cual se separan el gas y el dieléctrico impregnado de aceite por medio de un diafragma, casi siempre una funda de plomo aunque en otro diseño se ha empleado polietileno. El cable queda contenido en un recipiente a presión que puede ser un tubo de acero o funda de plomo con refuerzos metálicos.

B) Cable de presión interna de gas, en el que el gas queda contenido dentro de una funda de plomo que está en contacto con el dieléctrico, con esto se logra la supresión de la ionización.

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Para los dos tipos la presión nominal del gas (nitrógeno), es de 1.38 MPa (200 lb/pulg2), con una presión máxima de 1.725 MPa (250 lb/pulg2). Para ambos la temperatura máxima del conductor es de 85 °C y la tensión máxima de 11 kV/mm. Estos cables se han utilizado en sistemas con voltaje hasta de 275 kV.

El sistema llenado con aceite a baja presión (LPOF), se usa con frecuencia en Europa, principalmente en la forma de tres cables separados, autocontenidos. En ocasiones, para 132 kV y menores, se han utilizado 3 núcleos aislados dentro de mera funda. Estos cables se entierran en zanjas, alrededor de ellos se coloca un relleno especial y después se cubre la zanja con la tierra del lugar.

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Los cables LPOF se usan para un voltaje máximo de 500 KV. En instalaciones de alta capacidad se incorpora el enfriamiento a base de agua, para lograr un incremento en la potencia nominal de la corriente. En la figura 1.5 se ilustra el porcentaje de la longitud de circuitos de transmisión británicos, instalados bajo tierra (principalmente LPOF). Como se puede observar en la figura 1.6. En EUA el cable tipo tubo se ha desplazado, de hecho, al cable autocontenido lleno con aceite. Los primeros cables tipo tubo de 345 kV se instalaron en la ciudad de Nueva York durante el año de 1964, en una extensión de 24 km. Una ventaja de los cables HPOF, es la mayor longitud del núcleo aislado que se puede colocar en un carrete, de 800 a 1000 m de 138 kV y 600 m de 345 kV.

Figura 1.6 Cables de transmisión subterránea instalados en EUA (de 69 KV a 345 KV)

Otro tipo de cable, cuyo uso se ha limitado a la transmisión de los voltajes más altos (138 kV), tiene un aislamiento de polietileno solido extruido.

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Este tiene ventajas como ajustes más simple, fácil manejo y no requiere equipo auxiliar de costo elevado. En la figura 1.7 se ilustra (para EUA), la introducción progresiva de voltajes cada vez más altos con este aislamiento. Desafortunadamente los problemas de tipo dieléctrico han tenido el avance hacia voltajes más altos. Se ha presentado la dificultad de que la extrusión del aislamiento provoca bolsas e incrustaciones de material extraño, lo cual precipita la rotura; en la actualidad se están realizando intensivas investigaciones para poder aumentar el voltaje que soporta este tipo de cables a 230 kV o más.

Aunque el cable de papel/aceite tipo sólido, masa impregnada (sin drenar), tiene grandes limitaciones debido a la actividad parcial de descarga (corona) en las cavidades, su uso también se ha generalizado tanto en la distribución de redes, como para conexiones subterráneas, donde los sistemas más llenados con aceite pueden ser difíciles de instalar y de operar. En la actualidad es frecuente que esos eslabones subterráneos transmitan CD, porque la actividad de corona es reducida.

Figura 1.7 Duración de las primeras instalaciones para transmitir voltaje con cables de potencia

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1.2 INSTALACIÓN SUBTERRÁNEA

Aun cuando no se tiene a propósito a discutir con detalle los aspectos de ingeniería civil, se hará un breve bosquejo debido a la importancia que tienen los costos en un proyecto de cables. Hoy en día se tienen disponibles diversos métodos para la instalación subterránea, por ejemplo, se pueden abrir cortes en forma de zanjas o surcos, hacer perforaciones horizontales y perforaciones de túneles o bien se pueden empujar los tubos.

Las dimensiones de la zanja abierta (excavación) dependen del tipo de cable y del número de circuitos que se vayan a instalar. Por ejemplo, para los sistemas convencionales tipo tubo (de 115 kV a 345 kV) se requieren zanjas de 0.5 a 1 m de ancho, con una profundidad aproximada de 1 metro. En general, los costos de la apertura de zanjas están directamente relacionados con el volumen de material que se remueve. En las aéreas urbanas pueden surgir complicaciones cuando es difícil conseguir el espacio requerido ocupado por otros servicios públicos.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 24 Figura 1.8 Instalaciones típicas de cables bajo tierra doble circuito: a) HPOF tipo tubo b) extruido y

LPOF autocontenido enterrado directamente

En estas aéreas, el zanjado (corte de zanjas realizado con máquinas) se lleva a cabo con retroexcavadoras, máquinas Dynahoe o Grandall (retroexcavadoras y montacargas); las dos primeras tienen capacidad de excavar en una sola operación hasta más de un metro de anchura y la tercera hasta 2 metros (6 pies).

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La estimación de avance máximo en las ciudades es de 25 m/día, en tanto que en las aéreas suburbanas es de 60 a 100 m. El mejor tipo de suelo para las maquinas es el que tiene pocos obstáculos y por lo general se deben desmontar a nivel varios pies a ambos lados de la zanja. En la figura 1.8, se ilustra en forma de esquema una típica sección recta de una instalación enterrada.

En algunas áreas urbanas, especialmente en EUA, es muy común el uso de ductos enterrados: en estos se colocan las longitudes de cables autocontenidos, ya sean del tipo LPOF, o del tipo de dieléctrico extruido. El empleo de ductos permite mantener dentro de un mínimo la longitud abierta de zanjas, ya que los caminos sobre el ducto pueden ser reparados antes de que se comience a instalar el cable. Los ductos se fabrican de barro cocido, fibra, asbesto, cemento, o concreto; en la actualidad los ductos de plástico, por ejemplo el polietileno, son los más populares. Normalmente, el espacio mínimo desde el fondo de la zanja hasta los cables es de 150 mm y el espesor de la cubierta sobre un sistema de cables enterrados es de aproximadamente un metro. Para efectuar instalaciones de cables por debajo de caminos y vías ferroviarias o en circunstancias especiales, se utilizan túneles de pequeño diámetro, hasta de 1 m. La construcción de túneles de gran diámetro (3 m), se ha realizado para cruces bajo ríos o estuarios. Este método de instalación resulta costoso a menos que se combine con otros servicios públicos o con la transportación. En ocasiones se instalan sobre la tierra pequeñas secciones de circuitos de cables en estructura tales como puentes o en el terreno propiedad de la instalación.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 26 Figura 1.9 Sección recta del eslabón de un cable submarino a través de Long Island Sound, tipo

LPOF autocontenido, se emplea para 138 KV, 300 MVA, 60 Hz.

A menudo son esenciales los cruces bajo el agua de bahías, estuarios, etc., y con frecuencia son de considerable longitud, por ej., 30 km. En estos casos los cables se colocan sobre el fondo o en zanjas que se abren y se cubren de inmediato. Los cables tipo tubo HPOF, requieren de la colocación de un lastre para reducir la flotabilidad de los tubos antes de introducir los cables tirando de ellos (cualquier peso puesto en los tubos para que esta se sumerja hasta donde convenga); la máxima longitud de núcleo continuo que puede ser jalada hacia dentro de un tubo instalado es de 2000 m. en las figuras 1.9 y 1.10 se ilustra una conexión submarina en la que se emplean cables LPOF.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 27 Figura 1.10 Conexión para 138 KV en Long Island Sound Ruta de los eslabones de cable- siete

cables incluyendo una de repuesto

Para realizar la instalación y empalme del sistema, se requieren tomas de aire, perforaciones subterráneas o páneles unidos que se ubican a intervalos a lo largo de la ruta. Los agujeros de hombre se construyen de concreto y acero reforzado, y deben tener capacidad para soportar las presiones resultantes del terreno y del tráfico; las dimensiones típicas son: altura 2 m, anchura interior hasta 2 m y longitud, hasta 10 m. En la figura 1.11 se ilustra un diagrama esquemático de un agujero de un hombre. En la figura 1.12, se ilustra los componentes esenciales en la instalación de un sistema tipo tubo.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 28 Figura 1.11 Diagrama esquemático de un agujero de hombre para instalar cables tipo tubo.

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1.3 CONDUCTORES Y FUNDAS Conductores.

En la tabla 1.1 se proporciona una lista de los diversos materiales empleados en conductores y sus respectivas propiedades. A primera vista se puede observar que el material más recomendable es el sodio; sin embargo, actualmente en todo el mundo se usan el cobre y el aluminio. Las grandes energías implican grandes conductores y el uso continuo del cobre. En la figura 1.13 se ilustran formas y medidas comparativas de conductores de 507 mm2 (106 mil circular). En el cable LPOF, el conductor tiene un ducto central a través del cual fluye el aceite (ver figura 1.1).

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 30 Figura 1.13 Formas y medidas de los conductores usados en los cables Area Efectiva 507 mm².

Los tipos de (a), (b) y (e), se usan para cables de conductor sencillo. Los tipos (a) y (c), se usan para fundas con tres conductores. Los tipos (d) y (e), se usan para corrientes altas (menor efecto

Skin), en (e) los segmentos estan aislados unos de los otros.

En los conductores largos que transmiten CA, en el intervalo de las frecuencias de potencia, el efecto skin tiene una influencia significativa sobre la resistencia efectiva que presenta el conductor al paso de la CA.

En conductores de 2000 mm2 para cables LPOF, se ha medido una relación de

R ac R dc de hasta 1.2, esto aumenta las pérdidas en el conductor y reduce

la capacidad de la corriente. Se ha desarrollado una considerable cantidad de trabajo encaminada a reducir el efecto skin y se ha empleado la transportación para conductores largos (construcción Milliken). En este último, los alambres se compactan y tuercen para formar un segmento en el que éstos quedan transpuestos, es decir, envueltos de tal manera que ocupan toda la posición radial sobre una capa completa. Entonces algunos segmentos se colocan en su totalidad, alterando unos ligeramente aislados con otros blindados. En los últimos conductores largos, se aísla cada alambre. En la figura 1.14 se ilustra el efecto de este conductor. Recientemente se ha remplazado la espiral de acero central sobre la que se forman los alambres, y se ha puesto en su lugar un anillo de cobre desnudo auto sostenido que tiene la rigidez requerida.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 31 Figura 1.14 Efecto de los alambres esmaltados en forma individual para cables autocontenidos

tipo LPOF, en un conductor Milliken. La razon Rac/ Rdc, se reduce grandemente de conformidad con los efectos de proximidad.

En años recientes, el extenso uso del aluminio como material para conductores y para fundas ha tenido un considerable desarrollo. En su presentación corrugada ha substituido con gran ventaja al plomo como material para fundas y está ganando puntos rápidamente como conductor en los cables largos LPOF. La realización de juntas efectivas, las que en la práctica están sujetas a ciclos térmicos y resbalamiento, constituyen un problema mayor en los conductores de aluminio. Se han usado muchas técnicas de ensamblaje y en la actualidad se tiene una confianza total en las técnicas disponibles. La estabilidad en el precio del aluminio, comparado con el cobre, es una razón para su uso, ya que este último sufre severas fluctuaciones.

En el área de la sección recta de los conductores está dada en diferentes unidades en diversos países. En EUA se usa el mil circular (que es el área

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comprendida en un circulo de 0.001 pulgadas de diámetro) y en Europa, el milímetro cuadrado.

Los factores de conversión son:

Para convertir mm2 a mil circular (CM), multiplicar por 1970. Para convertir pulg2 a mil circular, multiplicar por 1.273239 * 106; por ejemplo:

104 mil circular = 510 mm2

1 pulg2 = 645 mm2

Fundas

Para los sistemas autocontenidos, en lo que se usa como aislamiento papel impregnado, es esencial formar sobre el mismo un sello en forma de funda. Hasta años recientes se han usado el plomo y sus diferentes aleaciones, debido a la facilidad que se tiene para su aplicación a su flexibilidad y a su resistencia a la corrosión. El aluminio es superior al plomo en resistencia al deslizamiento, a la fatiga y a la vibración, así como por la ausencia de descomposición térmica intercristalina. Se requiere dar protección a las fundas en contra de la corrosión (en especial si son de aluminio) y en la actualidad esta se proporciona, empleando PVC o polietileno extruidos colocados sobre la funda. En los tubos de acero que se usan en los sistemas tipo tubo la corrosión requiere una consideración mayor, por lo que se usa la protección catódica, o bien se suele cubrir el tubo con mastique asfáltico, polietileno o polipropileno.

En algunas ocasiones, para aumentar la resistencia mecánica y aumentar la protección, se agrega una armadura a los cables autocontenidos, en formas de alambres de acero o cintas envueltas en forma helicoidal alrededor del cable;

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estas quedan separadas de la funda por medio de una cama formada por dos capas de cintas de papel más yute o una cinta de arpillera.

La presencia de una armadura de alambres o de cintas de acero, produce grandes corrientes de Eddy inducidas y suficiente calor en el campo magnético, creado en cables de núcleo sencillo. De cualquier modo, en los cables de tres núcleos el campo magnético tiene un valor cercano a cero por lo que no existe calor que se desprenda de la armadura. Se tienen disponibles materiales no magnéticos para las armaduras como son, las aleaciones de manganeso-silicón-cobre, de aluminio estirado en frio. Sin embargo, este tipo de armaduras no magnética, es todavía de precio muy elevado.

En la tabla 1.2 se dan los valores de la resistividad eléctrica y los coeficientes de temperatura de los materiales empleados en la fabricación de cables.

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1.4 CONEXIONES Y TERMINACIONES

La medida del carrete o tambor determina la longitud máxima entre juntas; varias de estas longitudes o tramos se deben unir en la mayoría de los circuitos de cables. El diseño de las juntas para altos voltajes es complejo y crítico, en especial si la unión se debe de hacer a mano in situ, y en consecuencia no se tiene la resistencia eléctrica del aislamiento del cable debido a la presencia de humedad. En la figura 1.2 se ilustra una junta recta o de canal invertida (como conexión de dos longitudes o tramos). Los sistemas autocontenidos, llenados con aceite, necesitan juntas especiales para aislar hidráulicamente las secciones del cable y también para permitir que el aceite de la reservas entre al mismo (juntas de alimentación). Tanto desde el punto de vista eléctrico como del térmico, las juntas representan una parte crucial del sistema de cables.

En los extremos de entrada y salida de un cable de alto voltaje, el conductor sale del aislamiento del cable y entra a la atmosfera, donde se conecta a una línea elevada, a un interruptor, o a un transformador.

La contención efectiva del campo eléctrico no radial se efectúa con dispositivos que cuentan con sistemas de aislamiento especial, conocidos como extremos sellados o de sombreretes; la contención de la tensión exterior, la proporciona una cubierta de porcelana a la que se le ha dado una forma adecuada para minimizar las fugas de corriente por la superficie exterior. Por lo regular, la terminación del circuito del cable o la transición a una línea elevada se realiza en una subestación. Las áreas típicas requeridas son: para la terminación de un circuito simple de 345

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kV, 745 m2 (8000 pies2) y para la transición a una línea elevada de este mismo

circuito 372 m2 (4000 pies2).

Las alturas típicas de la terminaciones son las siguientes: para 138 kV, 4.9 m; para 345 kV, 6.7 m; y para 500 kV, 8.5m. En la figura 1.15 se ilustra un extremo sellado exterior para un cable LPOF.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 36 Figura 1.15 Extremo sellado en un cable al exterior (cable autocontenido)

Juntas y terminales

El diseño eléctrico de un cable coaxial es relativamente simple. Cuando se presenta una discontinuidad debida a una junta entre dos secciones del cable, o en el extremo del cable donde el conductor entra en contacto con el aire, el campo

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eléctrico ya no se presenta uniformemente radial, sino que tiene componentes longitudinal y radial.

Esto hace más complejo el diseño del aislamiento. La determinación de la distribución de tensiones eléctricas, en dos o tres dimensiones, se puede llevar a cabo por medio de técnicas análogas, como por ejemplo, tanques electrolíticos o papel semiconductor en base de carbón, o por métodos de computación digital que comprenden los métodos llamados de diferencia finita y de elementos finitos.

La literatura acerca de estos métodos es extensa. En la figura 1.16 se muestra la naturaleza de la terminal o del problema de cepillado. Si no se tiene una medida cualquiera que modifique el campo eléctrico, la disposición de las líneas equipotenciales y de flujo es la que se muestra en la figura 1.16a. Se ha visto que existen altas tensiones en la dirección longitudinal con la consecuente posibilidad de ruptura. Si se refuerza el aislamiento a base de cintas, de tal manera que se forme un cono de liberación de esfuerzos, se modifica el campo conforme se muestra en la figura 1.16b, en el cual hay una gran reducción longitudinal de tensiones.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 38 Figura 1.16 Lineas equipotenciales entre conductor y funda en terminaciones (a) aislamiento no

adicionado (b) cono de tensiones agregado.

Terminales para cables de papel-aceite

Los principales requerimientos son los siguientes:

(1) Distribución uniforme del voltaje

(2) Coordinación de la resistencia interna y externa del dieléctrico, de tal manera que, si llega a ocurrir accidentalmente un arco, éste quede confinado al exterior de la porcelana

(3) Diámetro mínimo del ensamble del cable, para conservar pequeñas las dimensiones de la porcelana. Así se limita al cincho y otros esfuerzos que se desarrollan debido a la presión interna.

(4) De fácil ensamble e impregnación en el sitio.

(5) Eliminación del aire y la humedad en el aislamiento del cable.

(6) Establecimiento de un sello de presión, para contener el fluido del cable.

Cuando la funda o pantalla se cortan en la parte trasera, no es uniforme el esfuerzo a lo largo de la superficie expuesta del dieléctrico del cable, y el gradiente de máxima impregnación o concentración de esfuerzo se presenta en la mitad del extremo de la pantalla. La resistencia eléctrica del papel traslapado es muy baja cuando el campo está dirigido a lo largo de la laminación o es paralela a ésta, si se compara con la que se obtiene si el campo es normal a la laminación o bien, cuando pasa a través de ésta. En sistemas de alto voltaje llenados con aceite, es práctica común controlar las tensiones en los extremos del cable por medio de la aplicación de un enrollamiento de papel de aislamiento preimpregnado, adyacente

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al extremo de la funda. Con el papel enrollado en forma de un cono de forma predeterminada y se verifica con una plantilla. Para sistemas con voltajes debajo de 66 kV, resulta adecuado un contorno de línea recta para el papel enrollado, pero arriba de ese voltaje, el perfil del enrollamiento se calcula a partir de una forma logarítmica, para la que se supone los datos de las tensiones radial y longitudinal permisible, por lo general, el valor nominal de este último estará limitado a 2.5 kv/mm. En todos los casos, se coloca una pantalla metálica, que generalmente está formada por alambres conductores, desde la funda del cable hacia arriba y sobre el perfil de tensiones y se asegura de manera adecuada por medio de soldadura; más allá del final del alambre, se tiene una parte recta del enrollamiento de papel. En el remate de perfil de tensiones, donde ya se ha terminado la pantalla metálica, se presenta aun un incremento agudo de la tensión, en la vecindad de la vuelta de la punta del alambre de plomo. Por lo tanto, para sistemas con voltajes superiores a 138 kV, la tensión en esta región se debe controlar más todavía para asegurar que no se presente accidentalmente un arco interno durante las pruebas de impulso y voltaje de CA.

Los casquillos impregnados en aceite se hacen por traslape de la cinta de papel después de secarla al vacio. En estos las descargas internas se presentan a niveles de principio más altos que en los casquillos comprimidos de resina sintética enlazados con papel, además de que estos últimos no se usan para los voltajes más altos. Existen tres métodos básicos para el control de tensiones y, aun cuando el predominante es la nivelación de la capacitancia se puede lograr el control por la nivelación de la resistencia y por uso de configuraciones adecuadas de electrodos, los cuales se usan para guiar y modificar el campo eléctrico.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 40 Nivelación de la capacitancia

Existen dos métodos: durante el proceso de traslape de papel, se insertan hojas conductoras o capas equipotenciales, en posiciones radiales apropiadas, o bien se usan capacitores nivelados separados por completo del cable forzado. En la figura 1.17, se muestra el diagrama del arreglo físico de los electrodos de hoja, así como de varias capacitancias comprendidas en una terminación de casquillo capacitor. Si se desprecia la capacitancia de las hojas de la tierra, se puede dividir el arreglo en capacitancias en serie y derivadas. Para una distribución en serie de voltaje, la capacitancia entre dos hojas sucesivas cualesquiera se gradúa de tal manera que resultan diferencias iguales de voltaje. Existen tres alternativas para obtener la distribución uniforme de voltaje en el casquillo capacitor:

(a) Por variación del espesor del aislamiento entre dos hojas sucesivas,

mientras se mantienen los pasos proyectados de igual longitud.

(b) Por ajuste de la longitud de los pasos proyectados, mientras se conserva

constante el espesor del aislamiento entre dos hojas sucesivas.

(c) Por el arreglo de pasos proyectados iguales y espesor de aislamiento igual

entre dos hojas sucesivas.

El diseño (c) es el más simple, aun cuando puede introducir tensiones un poco mayores, en los dos extremos, comparadas con las que se tienen en los pasos intermedios. Sin embargo si se escogen las dimensiones adecuadas de la hoja, en un cable de una medida dada, se pude hacer la distribución potencial suficientemente uniforme, para todos los fines prácticos.

Los tres tipos de diseño pueden ser prefabricados o se pueden formar a mano en el sitio. En la figura 1.5 se muestra un cable LPOF de extremo sellado. El cono se fija sobre la parte superior de la parte recta del perfil de tensiones, tan ajustado

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como sea posible, con la última hoja conectada al alambre conductor en el perfil. El uso de conos capacitores prefabricados tiene la ventaja de que es posible fabricarlos, inspeccionarlos y probarlos en la fábrica bajo condiciones controladas. Además la terminación de cable se puede complementar en corto tiempo.

Figura 1.17 Terminacion del cable tipo capacitor con el empleo de hojas y aislamiento

escalonado-diagrama esquematico

En la figura 1.18 se muestra el sistema que emplea capacitores separados. Los discos capacitores se colocan uno sobre el otro, con lo que se obtiene una suave nivelación longitudinal de tensiones. El diseño eléctrico es directo, ya que las capacitancias en derivación entre los capacitores y el conductor son predecibles. Se puede igualar los pasos de la capacitancia en serie y en la medida de que esto se logre, el valor real escogido de la capacitancia no resultará crítico. El electrodo capacitor más bajo se conecta al alambre conductor de perfil de tensiones, y la parte superior del capacitor se conecta al conductor. Los capacitores en serie se

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acumulan alrededor del tubo central, el cual se ensambla e impregna en la fábrica y es enviado sumergido en aceite al sitio donde se va a instalar. Es posible graduar la superficie externa del casquillo de manera total y uniforme para la frecuencia de la potencia y los voltajes de impulso, siendo las tensiones del orden de 2.8 KV/mm y 5.5 KV/mm respectivamente. En la figura 1.19 se muestra un diagrama de sombrerete que se usa para los cables tipo tubo, mismo que emplea capacitores de disco separado; los niveles de voltaje son los indicados.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 43 Figura 1.19 Sombrerete (terminacion). Capacitancia graduadapara nucleo de cable HPOF tipo

tubo. Diagrama esquematico se muesran las lineas equipotenciales como porcentaje del voltaje del conductor.

La tensión máxima del casquillo tipo capacitor (de hojas graduadas) está dada por la relación: donde

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y

 longitud del primer capacitor ( el más cercano al conductor)

 longitud del ultimo capacitor (el mas cercano a la pantalla exterior)  conductor del voltaje a tierra

 tension máxima  radio del conductor

Juntas para aislamiento a base de cintas

Cuando se interrumpe el aislamiento del cable para formar un empalme o una terminación, es necesario aumentar el radio del aislamiento por la baja resistencia eléctrica de las cintas en el sentido longitudinal. Con objeto de minimizar la tensión longitudinal, se debe realizar en cada caso el cambio en el diámetro del cable del centro de la junta.

El diseño eléctrico de una junta o la modificación de un diseño existente, se realiza por lo general con ayuda de una grafica de campo completa en la que se tenga la simetría radial supuesta de las líneas equipotenciales. Esto se obtiene usando el método numérico de diferencias finitas (o elementos) y una computadora digital.

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 45 Figura 1.20 Perfil de un aislamiento aplicadoa mano (papel-aceite) en una junta o empalme

continuo.

Un método aproximado para determinar las tensiones longitudinales de las operaciones críticas supone la obtención de los voltajes radiales, independientemente de los componentes axiales a la tensión. Considérese el arreglo que se muestra en la figura 1.20, en el cual el aislamiento aplicado a mano está sobre el aislamiento del cable que tiene un escalonamiento hacia el conductor; en la figura están indicados los diferentes radios y dimensiones. Se supone que la inductividad específica del aislamiento aplicado a mano es igual a la del aislamiento del cable. La tensión longitudinal a lo largo de los límites entre los materiales aislantes, se obtiene evaluando los voltajes de los puntos a y b (figura 1.20). El voltaje (v), en b, a través de las capas de aislamiento aplicado a mano, está dado por:

donde V es el conductor de voltaje a tierra, C es la capacitancia por unidad de longitud del aislamiento del cable,

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donde:

y C1 es la capacitancia del aislamiento aplicado a mano

De aquí que rc = conductor

ri = aislamiento del cable

longitud del último capacitor (el más cercano a la pantalla exterior)

Como el voltaje en a, la funda del cable, es cero, la tensión longitudinal está dada por aproximadamente (V1—0) dab. En forma similar, las tensiones longitudinales

en otras operaciones están determinadas, por ejemplo, entre c y d.

En c, En d,

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De aquí que

Las tensiones radiales se obtienen por la formula usual,

Aunque es obvio que este método no es muy exacto, proporciona en forma muy rápida una medida aproximada de las tensiones eléctricas en la junta.

Se puede terminar el dieléctrico del cable en forma escalonada o con un encintado uniforme. En el perfil precalculado, se debe de considerar permisible el cambio en las dimensiones del papel conforme va perdiendo humedad: con frecuencia se usa una concentración del 15% al pasar de las condiciones húmedas al vacio seco. El extremo escalonado del cable representa una discontinuidad que puede producir ionización en las aberturas de los extremos, en el momento en el que se presenta el flujo. Bajo ionización es posible que la ionización de abertura admitirá un potencial que es el valor medio de los que tienen las superficies adyacentes. Como guías de diseño aproximadas, se tiene que el espesor de las cintas aplicadas a mano es el doble del aislamiento del cable y que la tensión radial máxima en la junta es igual a las dos terceras partes de la que tiene el cable.

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Se ha informado que en los sistemas llenados con aceite, en los que se controla la tensión longitudinal a lo largo de la junta por medio de capacitores de circuito impreso, se obtiene la graduación de la capacitancia en las juntas.

Cables con aislamiento extruido

La relativa simplicidad de los empalmes y terminaciones es un atractivo de este tipo de aislamiento. Un empalme modelado en la fábrica y sometido a prueba previamente, debe ser de gran utilidad para sistemas de 138 kv: en la figura 1.21 se muestra un empalme ensamblado propuesto. El funcionamiento de las juntas envueltas a mano y montadas en el campo, está sujeto a la variación de la calidad del trabajador y al mismo tiempo requerido para su utilización; es normal que se requieran de 1 a 3 días para cada sección trifásica.

Figura 1.21 Ensamble de un empalme moldeado para un cable dielectrico solido extruido, 1. Cable

conductor, 2. Conductor conector, 3. Aislamiento del cable, 4. Proteccion del aislamiento del cable, 5. Adaptador de cable, 6. Alojamiento del aislamiento del manguito del empalme, 7. Transferencia

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1.5 COMPORTAMIENTO ELÉCTRICO DE LOS CABLES EN UN SISTEMA DE ENERGÍA

Los cables convencionales constituyen un buen capacitor. La inductividad especifica relativa (Ɛr) del aislamiento papel/aceite, es del orden 3.5, lo cual da

como resultado una alta capacitancia por unidad de longitud. Por otro parte, el valor de Ɛr para el polietileno extruido es de 2.2. Esta capacitancia tiene dos

implicaciones mayores:

a) La carga de corriente en CA es substancial y podría ser, en longitudes razonables, igual a la corriente de régimen (en base a consideraciones térmicas).

b) En los grandes sistemas subterráneos de las aéreas urbanas, los problemas de control de voltaje se presentan principalmente en las horas en que se incrementa la carga de luz, cuando el voltaje aumenta en forma considerable.

Para superar estos problemas los circuitos de cable EHV tienen reactores inductivos conectados en derivación, para reducir la capacitancia total. En los sistemas autocontenidos, esto incrementa el costo más o menos el 20%. Es por esto que existe la necesidad de usar aislamientos de bajo Ɛr, por ejemplo, gases o

plásticos. En la tabla 1.5 se dan los valores de la inductividad específica para sistemas de aislamiento de cables junto con los valores de ángulo de pérdida (tan δ).

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 50 Tabla 1.3 Valores de inductividad especifica y de los factores de perdida.

Los reactores en derivación usan transformadores parecidos y, debido a sus dimensiones, estos se ubican sobre el terreno, por lo general adyacentes a las terminaciones de cables. Idealmente se requieren estaciones de reactancia separada a lo largo de la ruta, aun cuando solo rara vez se instalan. Para un reactor de circuito sencillo de 345 kV, se requiere de un espacio de 930 m2 (1000 pies2), en una subestación y para este mismo reactor se requiere en una estación más o menos un acre. En la tabla 1.51, se ilustran los requerimientos de potencia reactiva para cables LPOF a niveles de voltaje Europeos. En la tabla 1.52 se ilustra la generación de potencia reactiva para cables tipo tubo.

La capacitancia de un conductor concéntrico (de radios exterior e interior R y r respectivamente) en forma de rejilla está dada por:

C = 2лƐ0Ɛr ln

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 51 Q= √3VIC = 3V 2л = (MV Ar/m).

Solo se puede reducir este valor si se disminuye Ɛr, por ejemplo, el valor del

papel/aceite, que es más o menos de 3.5 al del polietileno que es de 2.2 o todavía mejor, para aislamiento de gas con un valor Ɛr alrededor de 1.0.

Tabla 1.4 Potencia reactiva para sistemas de cable LPOF.

Otro resultado de la capacitancia del cable, es la magnitud de la carga de corriente. Considérese un cable alimentado por uno de sus extremos. La carga de corriente por metro de longitud, IC = (v/√3)2л , en donde V, es voltaje de línea en

la línea; cuando la longitud del cable es tal, que la corriente del extremo emisor sin carga (valor máximo) iguala la corriente de régimen (tomando como base el aumento de temperatura), la longitud se llama critica sin que exista la

posibilidad de hacer pasar una carga a través del cable por mínima que está sea, si no se presenta un aumento excesivo en la temperatura.

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Por ejemplo, un cable HPOF de 345 kV (Ɛr = 3.57) con 25 mm de espesor de

pared de aislamiento, tiene una longitud de 42 km (26.4 millas). Sin embargo, se debe recordar que, antes de llegar a esta longitud, la corriente del cable de régimen comienza a ser muy restringida. Las ventajas de costo obtenidas al disminuir el espesor del aislamiento quedan compensadas por el incremento de la capacitancia y de la pérdida del dieléctrico.

Una consecuencia posterior a la capacitancia, y por lo tanto de Ɛr concierne a la

pérdida del dieléctrico y al régimen térmico. A voltajes elevados la pérdida del dieléctrico se convierte en una parte substancial en los cables convencionales llenados con aceite, y la reducción del producto Ɛr X tan δ es de gran importancia.

Figura 1.22 Circuito basico equivalente de un cable de una fase.

La interacción entre los niveles de voltaje y el flujo de la potencia reactiva es conocida. La caída de voltaje a través de un eslabón de la transmisión de resistencia R y reactancia X, con una absorción var capacitiva (véase la figura 1.22), está dada por:

VS – VR =

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Si se supone que el extremo emisor es una barra colectiva infinita (V.), entonces los vars transferidos , suponiendo que es una protuberancia en

cada extremo del cable.

Si entonces y si entonces es negativo y habrá un aumento de voltaje en el extremo receptor. Bajo condiciones sin carga, , por lo tanto entre la condiciones de sin carga y carga total, existe una considerable variación en voltaje para sistemas operados manualmente.

Este tratamiento se puede extender a redes que estén formadas total o parciamente de circuitos subterráneos, como se podría encontrar en aéreas urbana y suburbana. Por lo tanto, la solución obvia es conectar, donde se considere conveniente, reactores inducidos en derivación para neutralizar la potencia reactiva generada por los cables. En los grandes sistemas urbanos el problema se agrava, debido a la relativamente pobre capacidad de los grandes turbo-generadores para liberar a la red, la potencia reactiva principal. Una maquina de 500 MW, de baja relación de corto circuito puede absorber relativamente mucho menos potencia reactiva que los generadores más pequeños.

El sistema consolidado Edison en Nueva York ilustra esta situación. Tiene una red principal de cables tipo tubo de 345 kV, y dentro de los límites de la ciudad el circuito de distribución (27 kV y 13.8 kV) es subterráneo en su totalidad. Aun cuando en los periodos máximos de carga se utiliza la capacitancia asociada, la carga de iluminación provoca serios problemas.

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La carga mínima durante el periodo en que no se tiene la carga máxima es el 20% del máximo diario semanal y, considerando el día promedio, la razón de la carga mínima es un 30%. En general el exceso de vars se puede absorber de las siguientes maneras:

(1) Operando el generador a baja excitación.

(2) Mediante el empleo de reactores en derivación

(3) Estableciendo la circulación en vars en circuitos seleccionados

(4) Interrumpiendo los circuitos de cables seleccionados

Además de la capacidad límite para absorber vars en el generador mencionado, existe el problema de que los grupos que están fuera de servicio durante los periodos de carga de iluminación, ya sea por razones económicas o de mantenimiento. Si estas maquinas se encuentran en operación, se pueden emplear para ayudar a controlar la situación creada por el excedente de vars.

Si se presenta la situación de tener las dos maquinas más grandes fuera de servicio y quizá las otras en mantenimiento, será necesario interrumpir el servicio de los circuitos selectos para poder controlar en forma debida el voltaje. Si se cambian derivaciones en los transformadores, es posible forzar en ciertos circuitos el flujo de una cantidad de corriente mayor que la que circularía por ellos de manera normal.

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Así se incrementa la absorción de vars, vía las pérdidas inductivas (conocidas con el nombre de derivaciones alternadas). Desconectar los circuitos de cables, presenta ciertos problemas, debido a las ondas de interrupción; estas pueden ser modificadas por la resistencia a la desconexión de los circuitos interruptores. La instalación de reactores es cara y puede llegar a alcanzar el 20% de los costos del circuito de alto voltaje. En la figura 1.23, se ilustra un diagrama típico de compensación para un cable propuesto de 500 kV tipo tubo.

Tabla 1.5 Perdidas y potencia reactiva (MW Ar) para cables tipo HPOF, (conductores de 1020 mm²

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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA Página 56 Figura 1.23 Compensacion reactiva, cables de circuito dobles, en arreglos para 500 kv.