Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas UN DESARROLLO EN CONJUNTO DE: Boletín Nº 27 Octubre de 2013 Colombia


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1 Boletín Nº 2 Octubre de 2013 Colombia Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas UN DESARROLLO EN CONJUNTO DE: Fotografía cortesía de CODENSA S.A. ESP

2 Fotografía cortesía de CODENSA S.A. ESP Editorial Comprometidos bajo una imperante filosofía de seguridad. Boletín Nº 2 Octubre de 2013 Colombia Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas UN DESARROLLO EN CONJUNTO DE: Procables S.A.S. C.I. Calle 20 No. 8B1 Bogotá, D.C. Colombia Bogotá D.C. (+51) (+51) Arauca y Casanare (+5) Boyacá (+5) Huila y Meta (+5) Costa Atlántica (+55) (+5) (+5) Costa Pacífica (52) (+5) Eje Cafetero (+5) (+5) Santanderes (+5) (+5) Antioquia (+54) (+5) (+5) Minería y Petróleos (+5) Licitaciones (+51) opción 3 Exportaciones (+51) opción 4 Servicio al Cliente (+51) opción Procables S.A.S. C.I. Las opiniones expresadas por los entrevistados no son responsabilidad de Procables. La seguridad es el valor central que guía nuestro desempeño. Como principal filosofía de General Cable, nuestro objetivo es esforzarnos al máximo por alcanzar un nivel de seguridad sobresaliente y brindar los recursos, educación, capacitación y herramientas necesarios para reducir cualquier riesgo. Con el ánimo de lograr un ambiente seguro y saludable para todos, trabajamos en equipo para erradicar y supervisar todas las condiciones que puedan causar lesiones o enfermedades laborales. A continuación los pilares que sostienen nuestra filosofía de seguridad: Cero y Más Aún significa integrar la seguridad en todos los aspectos de nuestra vida y en todo lo que hacemos. El cero indica literalmente cero víctimas, cero lesiones, cero incidentes y cero enfermedades profesionales, en casa o en nuestras comunidades. El símbolo del corazón representa el órgano que da y que mantiene la vida. Su forma es un símbolo universal que representa el cuidado. El espacio del interior del corazón forma una figura o persona abstracta que levanta las manos por encima de la cabeza (formando un cero). Además, visto desde una perspectiva ligeramente superior, parece que la figura esté estirando los brazos hacia alguien (dando la idea de Gente cuidando gente ). Queremos extender esta filosofía a los técnicos electricistas, quienes pueden arriesgar sus vidas en su trabajo diario, si no tienen las precauciones suficientes. Es por esto, que a partir de la edición Nº 2, podrán encontrar en la sección de Seguridad (contraportada de este boletín), prácticos consejos para tener en cuenta al momento de realizar instalaciones eléctricas, y de esta forma, contribuir en la disminución de conductas imprudentes que originen accidentes. Nota: Si usted desea recibir esta publicación o si tiene alguna pregunta sobre los temas aquí tratados, por favor escríbanos al correo electrónico: Visite nuestra página web y obtenga información detallada sobre nuestros productos: Contenido 3 5 Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas. Pantallas electrostáticas y neutros concéntricos para cables de Media Tensión. 2

3 Cables de Media Tensión aislados para instalaciones aéreas Procables, en compañía de CODENSA, el distribuidor de energía líder en el país, ha desarrollado una innovadora solución en cableado para redes eléctricas, ubicadas en zonas arborizadas. Los cables de Media Tensión cumplen un papel primordial en la distribución de energía eléctrica, especialmente en las áreas urbanas en donde, por efectos técnicos o regulatorios, es necesario hacer la distribución con cables aislados. En zonas rurales es usual tender las redes en la configuración clásica con conductores desnudos, en cuyo caso, el aislamiento está suministrado por el aire (para lo cual se selecciona una distancia adecuada entre los conductores desnudos) y por los aisladores, sobre los cuales se apoyan o suspenden los conductores desnudos. Sin embargo, cuando este tipo de instalación es realizada en zonas arborizadas, las salidas forzadas o interrupciones del servicio son muy frecuentes y en caso de requerir podas, las líneas deben desenergizarse, lo que conlleva a que esta instalación no sea adecuada para ese tipo de zonas. Por esta razón, desde hace algo más de dos décadas se vienen utilizando los cables semiaislados o mejor denominados cables cubiertos (como se les designará en este artículo), los cuales están conformados por un conductor de configuración básica en aluminio (AAC, ACSR o AAAC), con una serie de capas de cubrimiento (estrictamente y desde el punto de vista eléctrico, no se consideran como aislamientos; por lo cual son conocidos como semiaislados, cubiertos, protegidos o ecológicos). Las bondades del cable cubierto consisten en que se disminuye sustancialmente la distancia requerida entre las fases, para que la red sea más compacta y permita la instalación de uno o varios circuitos en el mismo poste. Sin embargo, para efectos de seguridad de la instalación, el cable cubierto debe tratarse como un cable desnudo, en cuanto a las distancias de seguridad que se deben aplicar con respecto a los seres vivos que habitan el lugar. Adicional a esto, aunque se requiere un menor grado de podas, se deben realizar de todas formas, con cierta periodicidad. La experiencia ha demostrado que los cables cubiertos son una buena solución técnica, para el caso de zonas medianamente arborizadas. En zonas donde la instalación está localizada muy cerca de las viviendas, las distancias de seguridad para este tipo de cables, deben considerarse como cables desnudos. En zonas con alta contaminación industrial o salina y en áreas densamente arborizadas, con presencia de animales (aves, reptiles, entre otros), el cable cubierto presenta fallas frecuentes. Es por esto, que se hace necesario encontrar otro tipo de solución integral. Un equipo conformado por ingenieros de Procables y CODENSA, desarrolló un cable de Media Tensión que permite la instalación aérea del mismo, en zonas altamente arborizadas o con viviendas cercanas a la línea, que no necesita podas de árboles. Se trata de un cable aislado tipo cuádruplex (tres fases aisladas y cableadas entre sí con un neutro portante), que permite la reducción sustancial de las distancias de seguridad y la construcción de una red trenzada de Media Tensión, conviviendo de forma segura con su entorno. CABLES AISLADOS PARA USO AÉREO Este cable de Media Tensión (15 kv y 35 kv) aislado, para uso aéreo, ofrece una solución técnica muy confiable, que a su vez, mejora los índices de desempeño de una línea de distribución (tasa de salidas forzadas y duración de las mismas), permitiendo una interacción amigable con el medio ambiente, ya que se elimina la poda de árboles, la muerte de animales por electrocución, y además, brinda una mayor seguridad cuando las redes quedan cerca de las viviendas. La construcción de este cable fue desarrollada así: 1 Conductor El cobre, es reconocido como uno de los metales con mayor conductividad volumétrica (basados en el volumen). Sin embargo, el aluminio es el metal con mejor conductividad gravimétrica de la naturaleza. Lo anterior, significa que se 3

4 requiere la mitad del peso en aluminio que en cobre para transportar corriente. Dichas propiedades se evidencian en la tabla Nº 1, construida con base en la Norma ASTM B193 Standard Test Method for Resistivity of Electrical Conductor Materials : Cobre Aluminio Resistividad Densidad % IACS ohm mm 2 /km ohm g/m 2 g/cm 3 Volúmen Peso 1,241 28,12 0, ,021 8,890 2,05 100% 1.2% 100% 201.1% Tabla Nº 1: Comparación de conductividades entre el cobre y el aluminio. Aunque desde el punto de vista de consideración volumétrica, el cobre es mejor conductor que el aluminio por un factor de 1,3; el aluminio es dos veces mejor conductor que el cobre desde el punto de vista gravimétrico. Esta característica hace que el aluminio sea el conductor superlativo para aplicaciones donde el peso sea una consideración importante, como lo es, por supuesto en la instalación aérea. Adicional a estas consideraciones del conductor de aluminio, hay que tener en cuenta que para optimizar el diseño por peso, el cableado debe ser tipo compacto, es decir, el diámetro total del conductor desnudo es mucho menor (aproximadamente un 8%) que un tipo de cableado convencional, con lo cual, se logra una disminución en el peso de un 3% aproximadamente. Para evitar la migración longitudinal de agua en el conductor, éste se fabrica con hilos bloqueadores de humedad. 2 Aislamiento Por muchas décadas el polietileno reticulado ha sido usado y probado con excelentes resultados en cables para Media Tensión (e incluso alta tensión) y gracias a su densidad de 0.92 g/cm 3, se convierte en un elemento suficientemente liviano para ser considerado en uso aéreo. El polietileno usado es de tipo retardante a las arborescencias (XLPETR), que ofrece una mayor vida útil con respecto al polietileno convencional (XLPE). 3 Capas semiconductoras Las capas semiconductoras (tanto la primera como la segunda), son de tipo estándar, ya que sus características han sido ampliamente probadas. 4 Pantalla metálica Debido a la incidencia del peso, se puede tener una alternativa en cinta de cobre traslapada o en alambres de cobre. Cualquiera de las dos opciones es apropiada, ya que tienen funciones electrostáticas similares y son de peso equivalente. En caso de usar pantalla en hilos de cobre, se aplican elementos que evitan la propagación del agua a lo largo de la pantalla. 5 Chaqueta Un polímero especial (de mucha menor densidad que una chaqueta convencional de PVC), resistente a la intemperie, de alta impermeabilidad y resistencia a la abrasión y al impacto, es muy apropiado para esta aplicación aérea. Con la aplicación de esta chaqueta se logra una disminución en el peso total del cable de un % aproximadamente, con respecto a una chaqueta de PVC normal. 3 1 Configuración La configuración que mejor se adapta a estos requerimientos es de tres conductores individuales y trenzados entre sí, con un neutro mensajero (cuádruplex). 4 2 Neutro mensajero El neutro mensajero debe cumplir con varias características primordiales, por supuesto, la de soportar mecánicamente el conjunto de las tres fases aisladas, ser resistente a la intemperie, tener el menor peso posible y estar en la capacidad de soportar las corrientes de corto circuito que se presenten en el sistema al cual está conectado. La mejor opción para todo lo anterior, es un conductor en aleación de aluminio con recubrimiento en polietileno, del mismo tipo de la chaqueta. 5 Foto Nº 2: Configuración cuádruplex. CONCEPTO DE GRADIENTE DE TENSIÓN Merece una consideración especial el concepto de Gradiente de Tensión, ya que el espesor de aislamiento está directamente involucrado con las dimensiones y el peso del cable. De esta forma se debe encontrar un espesor de aislamiento lo suficien 4

5 temente pequeño para minimizar el peso, pero que a su vez, tenga un correcto funcionamiento durante la vida útil del cable, bajo las tensiones de operación y condiciones de instalación. El Gradiente de Tensión en un cable de Media Tensión es el esfuerzo eléctrico al cual se ve sometido el aislamiento, cuando el conductor está energizado a una tensión de operación y está dado por la siguiente fórmula: G = 0,89 V x log ( D ) d G: gradiente de tensión en el punto x. x varía entre el diámetro de la primera capa semiconductora y el diámetro del aislamiento. V: tensión de diseño u operación entre el conductor y la pantalla metálica. D: diámetro sobre el aislamiento. d: diámetro sobre la primera capa semiconductora. Para un cable de 15 kv calibre 4/0 AWG, el gradiente de tensión es como se indica en la siguiente gráfica: 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Gradiente de tensión (kv/mm) 2,50 0,0 AISLAMIENTO 1 ra. S/C 2 da. S/C 0,5 1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0,0 Distancia desde la 1 ra. S/C (mm) S/C: Semiconductora 1,91 Se puede observar que el máximo gradiente del aislamiento ocurre en la vecindad de la primera capa semiconductora y en este caso es de 2.5 kv/mm. En la actualidad, los avances tecnológicos en la fabricación y procesamiento de los polietilenos reticulables, han evolucionado a tal punto que se pueden obtener valores del gradiente en un orden de 4 kv/mm en operación continua, sin que esto ocasione pérdida de confiabilidad en el desempeño del cable durante su vida útil. Bajo el anterior concepto, pueden utilizarse espesores de aislamiento reducidos con respecto a los valores convencionales, lo cual disminuye el peso del conductor en un 9% aproximadamente. El cable en su totalidad, puede llegar a una reducción de peso del 18% (con respecto a un cable convencional), y una disminución de diámetro del 9%. Parámetros de desempeño La configuración cuádruplex presenta una característica muy deseable en una instalación de Media Tensión, ya que las fases quedan a la menor distancia posible. Con esta configuración se logra una Reactancia Inductiva sustancialmente menor que cuando las fases se encuentran separadas, por consiguiente, las pérdidas de energía y la caída de tensión (regulación) serán mucho menores. La capacidad de conducción de corriente también llega a ser un factor preponderante, puesto que para un circuito al aire, ésta se ve altamente favorecida: en un calibre 250 kcmil, la capacidad de corriente en ducto de tres conductores es de 250 A, mientras que en instalación al aire, la capacidad es de 355 A, ambas instalaciones a una temperatura ambiente de 20 C. La configuración del neutro en AAAC recubierto, permite que las corrientes de corto circuito sean llevadas por el mismo, sin afectar la chaqueta ni el aislamiento de las fases; este neutro bien pudiera utilizarse para llevar fibra óptica. Este diseño también puede ser utilizado en instalación subterránea (en ductos), ya que las fases están completamente aisladas y el neutro se encuentra recubierto. Instalación Como prueba piloto, el cable de Media Tensión aéreo Procables, fue instalado en una zona rural industrial, donde la densidad arbórea es alta y además se dificulta el acceso peatonal y vehicular. El resultado de esta instalación es una convivencia armónica del cable con la naturaleza. El diseño aplicado no requiere de podas y el árbol crece, ramificándose a su alrededor sin ocasionar salidas del circuito y que éste, a su vez, no cause descargas eléctricas sobre el árbol. El diseño del cable Media Tensión para uso aéreo ofrece las siguientes ventajas comprobadas: Instalación en zonas arborizadas con interacción amigable con el medio ambiente. No se requiere podas de árboles, no causa descargas eléctricas ni a los árboles ni a los animales. Excelente continuidad en el servicio o suministro de energía eléctrica, así como una mínima o nula salida de funcionamiento o cortes. Seguridad en la instalación cuando la infraestructura eléctrica está cerca de las viviendas. Las distancias de seguridad son mucho menores que en cables desnudos o cubiertos. Además, ofrece una mayor seguridad a los operadores, usuarios y transeúntes. Ahorro en los costos, comparado con conductores desnudos o cubiertos. 5

6 Pantallas electrostáticas y neutros concéntricos para cables de Media Tensión Estos dos componentes del cable, cumplen una función diferente. En el siguiente artículo, se dan a conocer los conceptos, tipos y otros aspectos importantes, para que el diseñador o especificador del sistema eléctrico, los tenga en cuenta al momento de solicitar nuestros productos. PANTALLA METÁLICA La pantalla metálica generalmente está conformada por cintas de cobre aplicadas helicoidalmente, alambres de cobre o una combinación de las dos. Cuando se usa cinta de cobre, ésta se aplica de forma helicoidal y traslapada con un espesor mínimo de 0,04 mm. Al utilizar hilos de cobre, las condiciones mínimas de aplicación son las siguientes: El diámetro del alambre debe ser de 0,4 mm. La pantalla debe estar compuesta, como mínimo, por hilos. El área requerida en mm 2, debe ser igual a 0,1 veces el diámetro sobre la segunda semiconductora en mm. La pantalla metálica cumple la función de suministrar el potencial de referencia o tierra a la segunda semiconductora. A su vez, permite drenar o llevar las corrientes de fuga a tierra que provienen del conductor a través del aislamiento. La finalidad de los componentes con respecto al campo eléctrico se indica en la figura Nº 1, donde se representa, a través de las flechas, que el campo comienza de forma radial y perpendicular a la superficie externa de la primera semiconductora y termina también de forma radial y perpendicular en la superficie interna de la segunda semiconductora. Con lo anterior, el campo eléctrico estará totalmente dentro del aislamiento de forma radial y homogénea, permitiendo que los esfuerzos eléctricos dentro del aislamiento sean homogéneos, graduales y adecuados para el correcto funcionamiento del cable de Media Tensión. En la tabla Nº 1 se presenta un comparativo entre una pantalla metálica de cinta y una pantalla metálica de alambres. NEUTRO CONCÉNTRICO Cuando se requiere manejar corrientes de neutro o un sistema que soporte corrientes de corto circuito, es usual aplicar alambres de cobre con un área y conductividad adecuadas. Este concepto se conoce como Neutro Concéntrico. Dependiendo de la conductividad requerida, se puede solicitar: Neutro concéntrico del 33% Neutro concéntrico del 100% Parámetro Cinta Pantalla Hilos Figura Nº 1. Campo eléctrico concentrado en el aislamiento, de forma radial y homogénea. Conectividad Penetración de la humedad Radio de curvatura Capacidad electrostática Moderada dificultad de la conexión a tierra No se presentan espacios entre la cinta y la chaqueta exterior 12 veces Adecuada Tabla Nº 1. Comparativo entre pantalla de cinta y de hilos. Facilidad de la conexión de los hilos a tierra Los hilos dejan vacíos o espacios de aire entre ellos y la chaqueta 8 veces Adecuada

7 De esta forma, en una configuración trifásica, al instalar tres fases con neutro concéntrico del 33%, cada una de éstas con una capacidad de corriente determinada y los neutros interconectados, la capacidad de corriente de estos neutros es aproximadamente igual a la de una de las fases. C.MT 4/0 AWG Cu (B) CPR XLPETR 15kV 100%IL 90 C 33%NC PVC Los neutros concéntricos del 100% son utilizados en sistemas de distribución monofásicos, los cuales no son muy comunes en sistemas trifásicos donde se requiere reforzar la capacidad de cortocircuito o la corriente de neutro. C.MT 4/0 AWG Cu (B) CPR XLPETR 15kV 100%IL 90 C 100%NC PVC En algunas oportunidades, el neutro concéntrico no se define como un porcentaje de conductividad de la fase, sino como un área determinada; en estos casos, el área del neutro se calcula según la capacidad de corriente que debe manejar, ya sea en períodos estables o en cortocircuito. La tabla Nº 2 muestra una lista genérica que presenta las normas ICEA y NTC, en cuanto a la configuración de los alambres del neutro concéntrico, según el calibre, el metal del conductor de fase y porcentaje de neutro. C.MT 4/0 AWG AAC (B) CPR XLPETR 15kV 100%IL 90 C 33%NC PVC Cuando se requiere bloqueo contra humedad del conductor concéntrico, es apropiado usar los alambres con menor diámetro o calibre para minimizar los espacios de aire y de esta forma optimizar el bloqueo de humedad. En los conductores de la figura Nº 2 se muestran cortes de diferentes tipos de conductores y neutro concéntrico. % del neutro 33% 100% Conductor Cu Al Calibre del conductor (AWG o kcmil) 2 1/0 1 2/0 1/0 3/0 4/0 2/ /0 4/ /0 1 2/0 1/0 3/0 2/0 4/0 3/ /0 350 Cantidad de alambres Calibre de cada alambre AWG Tabla Nº 2. Configuración de los alambres del neutro concéntrico C.MT 4/0 AWG AAC (B) CPR XLPETR 15kV 100%IL 90 C 100%NC PVC Figura Nº 2. Construcción conductores con neutro concéntrico. La pantalla (en hilos o cinta) junto con las dos capas semiconductoras, cumplen la función de apantallamiento electrostático, es decir, confinan el campo eléctrico en el aislamiento. Además, ofrecen una operación segura al estar conectadas apropiadamente a tierra. Por otra parte, la pantalla sirve para drenar la corriente de fuga que fluye desde el conductor hacia la tierra; cuando se requiere flexibilidad y menores radios de curvatura, se prefiere la pantalla en hilos de cobre. Si además de cumplir con las funciones electrostáticas de apantallamiento y de drenaje de corriente de fuga, se requiere una circulación de corrientes de neutro, la configuración de neutro concéntrico (conformado por hilos o alambres de cobre), permite una conductividad apropiada mucho mayor que la de una pantalla.

8 Nuestro compromiso ambiental también puede ser el suyo! Cuidemos el medio ambiente y prevengamos la contaminación! De forma general, entendemos que el medio ambiente es todo aquello que nos rodea, pero para ser más precisos, medio ambiente hace referencia al entorno que afecta y condiciona especialmente, las circunstancias de vida de las personas o la sociedad. Es todo el conjunto de valores naturales, sociales, culturales y su interacción con los seres vivos, para lograr un equilibrio y una sostenibilidad. El Lago Karachay, en Rusia, catalogado como el lugar más contaminado del planeta debido a los millones de desechos que recibe de una central nuclear. Qué es la contaminación? La contaminación hace referencia a la presencia en el ambiente de cualquier agente físico, químico, biológico o combinación de varios agentes en concentraciones que pueden ser nocivas o perjudiciales para la salud, la seguridad y el bienestar de todos los seres vivos. Como consecuencia de la contaminación se presentan cambios adversos e incorregibles sobre el medio ambiente, como el calentamiento global, efecto invernadero, cambios bruscos en el clima, efecto smog, lluvia ácida, grandes desastres y demás problemáticas medioambientales que también afectan nuestra calidad de vida. Todos tenemos la responsabilidad de proteger el medio ambiente. Cómo podemos prevenir su contaminación? No quemando ni talando plantas. Reciclando o aprovechando los residuos. Controlando el uso de fertilizantes y pesticidas. Utilizando abonos orgánicos. No botando basura en lugares inapropiados o no establecidos. Creando y promoviendo conciencia ciudadana de protección al medio ambiente. Utilizando combustibles limpios o fuentes de energía alternas. Consumiendo eficientemente la energía eléctrica. Haciendo uso racional del agua. Sembrando árboles y colaborando con el mantenimiento de las áreas verdes. No utilizando productos que contengan contaminantes, como CFC (desodorantes en aerosol), gasolina con plomo, etc. Si se emplean vehículos automotores, revisando periódicamente la combustión del motor para evitar la producción de gases tóxicos. Fuentes: SEGURIDAD Procables, una empresa General Cable, se preocupa por la seguridad de los técnicos electricistas de Colombia, por eso le recuerda: Cuando esté verificando el lugar de trabajo, no olvide que todas las personas que van a ejecutar la instalación o a trabajar con equipos energizados, deben estar libres de cualquier objeto conductor metálico (como hebillas de cinturón, pulseras, anillos, cremalleras). Estos pueden aumentar el riesgo de accidente. Fuente: Reglamento Técnicos de Instalaciones Eléctricas RETIE

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