Un cable de alto voltaje ( cable HV ), a veces llamado cable de alta tensión ( cable HT ), es un cable utilizado para la transmisión de energía eléctrica a alto voltaje . Un cable incluye un conductor y un aislamiento . Los cables se consideran completamente aislados. Esto significa que tienen un sistema de aislamiento completamente calificado que constará de aislamiento, capas semiconductor y un blindaje metálico. Esto contrasta con una línea aérea , que puede incluir aislamiento pero no estar completamente calificado para el voltaje de operación (por ejemplo, cable de árbol). Los cables de alto voltaje de diferentes tipos tienen una variedad de aplicaciones en instrumentos, sistemas de encendido y transmisión de energía de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). En todas las aplicaciones, el aislamiento del cable no debe deteriorarse debido a la tensión de alto voltaje, el ozono producido por descargas eléctricas en el aire o el seguimiento. El sistema de cable debe evitar el contacto del conductor de alto voltaje con otros objetos o personas, y debe contener y controlar la corriente de fuga. Las juntas y terminales de los cables deben estar diseñados para controlar la tensión de alto voltaje para evitar la ruptura del aislamiento.
Las longitudes de corte de los cables de alta tensión pueden variar desde varios metros hasta miles de metros. Los cables relativamente cortos se utilizan en aparatos y los más largos se utilizan en edificios o como cables enterrados en una planta industrial o para la distribución de energía. Las longitudes de corte más largas de cable suelen ser cables submarinos bajo el océano para la transmisión de energía.
Al igual que otros cables de alimentación , los cables de alta tensión tienen los elementos estructurales de uno o más conductores, un sistema de aislamiento y una cubierta protectora. Los cables de alta tensión se diferencian de los cables de menor tensión en que tienen capas internas adicionales en el sistema de aislamiento para controlar el campo eléctrico alrededor del conductor. Estas capas adicionales son necesarias a 2000 voltios y más entre conductores. Sin estas capas semiconductoras, el cable fallará debido a la tensión eléctrica en cuestión de minutos. Esta técnica fue patentada por Martin Hochstadter en 1916; [1] el blindaje a veces se denomina blindaje Hochstadter y el cable blindado solía llamarse cable tipo H. Dependiendo del esquema de conexión a tierra, los blindajes de un cable se pueden conectar a tierra en un extremo o en ambos extremos del cable. Los empalmes en el medio del cable también se pueden conectar a tierra dependiendo de la longitud del circuito y si se utiliza una cubierta semiconductora en circuitos enterrados directamente.
Desde 1960, los cables extruidos con dieléctrico sólido han tomado el predominio en el mercado de distribución. Estos cables de media tensión generalmente están aislados con aislamiento polimérico EPR o XLPE. El aislamiento EPR es común en cables de 4 a 34 kV. El EPR no se usa comúnmente por encima de 35 kV debido a las pérdidas, sin embargo, se puede encontrar en cables de 69 kV. El XLPE se usa en todos los niveles de voltaje desde la clase de 600 V en adelante. A veces se comercializa el aislamiento EAM, sin embargo, la penetración en el mercado sigue siendo bastante baja. Los cables con aislamiento extruido sólido como EPR y XLPE representan la mayoría de los cables de distribución y transmisión producidos hoy en día. Sin embargo, la relativa falta de confiabilidad del XLPE temprano resultó en una adopción lenta en voltajes de transmisión. Los cables de 330, 400 y 500 kV se construyen comúnmente usando XLPE en la actualidad, pero esto ha sucedido solo en las últimas décadas.
Un tipo de aislamiento cada vez menos común es el cable recubierto de plomo con aislamiento de papel o PILC. Algunas empresas de servicios públicos aún lo instalan para circuitos de distribución como nueva construcción o reemplazo. Sebastian Ziani de Ferranti fue el primero en demostrar en 1887 que el papel kraft cuidadosamente secado y preparado podía formar un aislamiento de cable satisfactorio a 11.000 voltios. Anteriormente, el cable aislado con papel solo se había aplicado para circuitos de telégrafo y teléfono de baja tensión. Se necesitaba una funda de plomo extruida sobre el cable de papel para garantizar que el papel permaneciera libre de humedad. Los cables de media tensión aislados con papel impregnado en masa eran comercialmente prácticos en 1895. Durante la Segunda Guerra Mundial se aplicaron varias variedades de aislamiento de caucho sintético y polietileno a los cables. [2] Los cables de alta tensión modernos utilizan polímeros, especialmente polietileno, incluido el polietileno reticulado (XLPE) para el aislamiento.
Se podría decir que la desaparición de los cables PILC se produjo en los años 1980 y 1990, cuando las empresas de servicios públicos urbanas comenzaron a instalar más cables con aislamiento de EPR y XLPE. Los factores que explican la disminución del uso de los cables PILC son el alto nivel de mano de obra necesaria para unir los cables, los tiempos de empalme más largos, la menor disponibilidad del producto en el país y la presión para dejar de utilizar el plomo por razones medioambientales y de seguridad. También cabe señalar que los cables recubiertos de plomo con aislamiento de caucho gozaron de un breve período de popularidad antes de 1960 en los mercados de baja y media tensión, pero la mayoría de las empresas de servicios públicos no los utilizaban ampliamente. La mayoría de las empresas de servicios públicos suelen considerar que los alimentadores PILC existentes están cerca del final de su vida útil y están sujetos a programas de sustitución.
El caucho vulcanizado fue patentado por Charles Goodyear en 1844, pero no se aplicó al aislamiento de cables hasta la década de 1880, cuando se utilizó para circuitos de iluminación. [1] El cable con aislamiento de caucho se utilizó para circuitos de 11 000 voltios en 1897 instalados para el proyecto de generación de energía de las cataratas del Niágara .
Los cables rellenos de aceite, de gas y tipo tubería se han considerado en gran medida obsoletos desde la década de 1960. Dichos cables están diseñados para que haya un flujo de aceite significativo a través del cable. Los cables PILC estándar están impregnados con aceite, pero el aceite no está diseñado para fluir o enfriar el cable. Los cables rellenos de aceite suelen estar aislados con plomo y se pueden comprar en carretes. Los cables tipo tubería se diferencian de los cables rellenos de aceite en que se instalan en una tubería rígida, generalmente hecha de acero. En los cables tipo tubería, primero se construyen las tuberías y luego, en una fecha posterior, se tira del cable. El cable puede tener alambres de deslizamiento para evitar daños durante el proceso de tirado. El volumen de aceite en la sección transversal de un cable tipo tubería es significativamente mayor que en un cable relleno de aceite. Estos cables tipo tubería se rellenan con aceite a presiones nominales bajas, medias y altas. Los voltajes más altos requieren presiones de aceite más altas para evitar la formación de huecos que permitirían descargas parciales dentro del aislamiento del cable. Los cables de tipo tubería suelen tener un sistema de protección catódica que se activa con tensión, algo que no sucede con los circuitos de cables llenos de aceite. Los sistemas de cables de tipo tubería suelen estar protegidos contra la formación de huecos mediante un revestimiento asfáltico. Todavía hay muchos de estos circuitos de tipo tubería en funcionamiento en la actualidad. Sin embargo, han caído en desuso debido al alto costo inicial y al enorme presupuesto de operación y mantenimiento necesario para mantener la flota de plantas de bombeo.
Se define alta tensión como cualquier tensión superior a 1000 voltios. [3] Los de 2 a 33 kV suelen denominarse cables de media tensión , los superiores a 50 kV cables de alta tensión .
Los cables de alta tensión modernos tienen un diseño simple que consta de unas pocas partes: el conductor, el blindaje del conductor, el aislamiento, el blindaje del aislamiento, el blindaje metálico y la cubierta. Otras capas pueden incluir cintas de bloqueo de agua, cordones de desgarre y cables de blindaje. Los cables de cobre o aluminio transportan la corriente, consulte (1) en la figura 1. ( Para una discusión detallada sobre los cables de cobre, consulte el artículo principal: Conductor de cobre ) . El aislamiento, el blindaje del aislamiento y el blindaje del conductor generalmente están basados en polímeros con algunas raras excepciones.
Los diseños de conductores individuales de menos de 2000 KCM son generalmente concéntricos. Los hilos individuales suelen deformarse durante el proceso de trenzado para proporcionar una circunferencia general más suave. Estos se conocen como conductores compactos y comprimidos. El compacto ofrece una reducción del 10 % en el diámetro exterior del conductor, mientras que la versión comprimida solo ofrece una reducción del 3 %. La selección de un conductor comprimido o compacto a menudo requerirá un conector diferente durante el empalme. Los cables de transmisión de 2000 KCM y mayores a menudo incluyen un diseño de estilo sectorizado para reducir las pérdidas por efecto pelicular. Los cables de energía de la red eléctrica a menudo están diseñados para funcionar a temperaturas de conductor de hasta 75 °C, 90 °C y 105 °C. Esta temperatura está limitada por el estándar de construcción y la selección de la cubierta.
El blindaje del conductor siempre está unido permanentemente al aislamiento del cable EPR o XLPE en el cable dieléctrico sólido. El blindaje de aislamiento semiconductor puede ser unido o removible según los deseos del comprador. Para voltajes de 69 KV y superiores, el blindaje de aislamiento generalmente está unido. Se compra un blindaje de aislamiento desprendible para reducir el tiempo y la habilidad de empalme. Se puede argumentar que el semiconductor desprendible puede conducir a menos problemas de mano de obra en media tensión. [4] Con cables aislados con papel, las capas semiconductoras consisten en cintas metalizadas o con carbono aplicadas sobre el conductor y el aislamiento de papel. La función de estas capas es evitar cavidades llenas de aire y suprimir la tensión de voltaje entre los conductores metálicos y el dieléctrico para que no puedan surgir pequeñas descargas eléctricas que pongan en peligro el material de aislamiento. [5]
El blindaje aislante está cubierto por una "pantalla" de cobre, aluminio o plomo. El blindaje o vaina metálica actúa como una capa conectada a tierra y drenará las corrientes de fuga. La función del blindaje no es conducir fallas, pero esa función se puede diseñar si se desea. Algunos diseños que se podrían utilizar son cinta de cobre, cables de cobre concéntricos, blindajes corrugados longitudinalmente, correas planas de cobre o vaina de plomo extruido.
La cubierta del cable suele ser polimérica. La función de la cubierta es proporcionar protección mecánica, así como evitar la intrusión de humedad y productos químicos. Las cubiertas pueden ser semiconductoras o no conductoras según las condiciones del suelo y la configuración de conexión a tierra deseada. Las cubiertas semiconductoras también se pueden utilizar en cables para ayudar con una prueba de integridad de la cubierta. Algunos tipos de cubiertas son LLDPE, HDPE, polipropileno, PVC (extremo inferior del mercado), LSZH, etc.
Durante el desarrollo del aislamiento de alta tensión, que ha llevado alrededor de medio siglo, dos características resultaron ser primordiales. En primer lugar, la introducción de las capas semiconductoras. Estas capas deben ser absolutamente lisas, sin siquiera protuberancias tan pequeñas como unas pocas micras . Además, la fusión entre el aislamiento y estas capas debe ser absoluta; [6] cualquier fisión, bolsa de aire u otro defecto, de nuevo, incluso de unas pocas micras, es perjudicial para el cable. En segundo lugar, el aislamiento debe estar libre de inclusiones, cavidades u otros defectos del mismo tipo de tamaño. Cualquier defecto de este tipo acorta la vida útil del cable, que se supone que es del orden de 30 años o más. [7]
La cooperación entre los fabricantes de cables y los fabricantes de materiales ha dado como resultado grados de XLPE con especificaciones estrictas. La mayoría de los productores de compuestos de XLPE especifican un grado "extra limpio" en el que se garantiza la cantidad y el tamaño de las partículas extrañas. Es necesario empaquetar la materia prima y descargarla en un entorno de sala limpia en las máquinas de fabricación de cables. El desarrollo de extrusoras para la extrusión y reticulación de plásticos ha dado como resultado instalaciones de fabricación de cables para fabricar aislamientos puros y sin defectos. La prueba de control de calidad final es una prueba de descarga parcial de voltaje elevado de 50 o 60 Hz con una sensibilidad muy alta (en el rango de 5 a 10 picoculombios). Esta prueba se realiza en cada bobina de cable antes de su envío. [ cita requerida ]
Un cable de alto voltaje para transmisión de corriente continua de alto voltaje (HVDC) tiene la misma construcción que el cable de CA que se muestra en la figura 1. La física y los requisitos de prueba son diferentes. [8] En este caso, la suavidad de las capas semiconductoras (2) y (4) es de suma importancia. La limpieza del aislamiento sigue siendo imperativa. El material semiconductor puede ser plástico XLPE ( polietileno reticulado ) con negro de carbono. [9]
Muchos cables HVDC se utilizan para conexiones submarinas de CC , porque a distancias superiores a aproximadamente 100 km ya no se puede utilizar CA. A partir de 2021, el cable submarino más largo es el cable North Sea Link entre Noruega y el Reino Unido, que tiene 720 km (450 mi) de longitud.
Los terminales de los cables de alta tensión deben gestionar los campos eléctricos en los extremos. [10] Sin dicha construcción, el campo eléctrico se concentrará en el extremo del conductor de tierra, como se muestra en la figura 8.
Aquí se muestran las líneas equipotenciales, que se pueden comparar con las líneas de contorno de un mapa de una región montañosa: cuanto más cercanas estén entre sí, más pronunciada será la pendiente y mayor será el peligro, en este caso, el peligro de una avería eléctrica . Las líneas equipotenciales también se pueden comparar con las isobaras de un mapa meteorológico: cuanto más densas sean las líneas, más viento habrá y mayor será el peligro de daños. Para controlar las líneas equipotenciales (es decir, para controlar el campo eléctrico), se utiliza un dispositivo llamado cono de tensión , véase la figura 9. [11] El quid de la liberación de tensión es ensanchar el extremo del blindaje a lo largo de una curva logarítmica. Antes de 1960, los conos de tensión se fabricaban a mano con cinta, después de instalar el cable. Estos estaban protegidos por cabezales de encapsulamiento , llamados así porque se vertía un compuesto de encapsulamiento/dieléctrico alrededor de la cinta dentro de un aislante de cuerpo de metal/porcelana. Alrededor de 1960, se desarrollaron terminaciones preformadas que consisten en un cuerpo de caucho o elastómero que se estira sobre el extremo del cable. [12] Sobre este cuerpo similar al caucho R se aplica un electrodo de protección que extiende las líneas equipotenciales para garantizar un campo eléctrico bajo.
El punto clave de este dispositivo, inventado por la NKF en Delft en 1964, [13] es que el orificio del cuerpo elástico es más estrecho que el diámetro del cable. De esta manera, la interfaz (azul) entre el cable y el cono de tensión se somete a presión mecánica, de modo que no se pueden formar cavidades ni bolsas de aire entre el cable y el cono. De esta manera se evita la ruptura eléctrica en esta región.
Esta construcción puede estar además rodeada por un aislante de porcelana o silicona para uso exterior, [14] o por artilugios para introducir el cable en un transformador de potencia bajo aceite, o en un cuadro de distribución bajo presión de gas. [15]
La conexión de dos cables de alta tensión entre sí plantea dos problemas principales. En primer lugar, las capas conductoras externas de ambos cables deben terminarse sin provocar una concentración de campo, [16] como ocurre al fabricar un terminal de cable. En segundo lugar, debe crearse un espacio libre de campo donde se puedan acomodar de forma segura el aislamiento del cable cortado y el conector de los dos conductores. [17] Estos problemas fueron resueltos por la NKF en Delft en 1965 [18] mediante la introducción de un dispositivo llamado manguito bimanchet .
La figura 10 muestra una fotografía de la sección transversal de un dispositivo de este tipo. En un lado de esta fotografía se dibujan los contornos de un cable de alta tensión. Aquí, el rojo representa el conductor de ese cable y el azul el aislamiento del cable. Las partes negras de esta imagen son piezas de goma semiconductora. La parte exterior está a potencial de tierra y distribuye el campo eléctrico de forma similar a un terminal de cable. La parte interior está a alta tensión y protege el conector de los conductores del campo eléctrico.
El campo en sí se desvía como se muestra en la figura 11, donde las líneas equipotenciales se dirigen suavemente desde el interior del cable hacia la parte exterior del bimancheto (y viceversa en el otro lado del dispositivo).
El quid de la cuestión es que, como en el terminal del cable, el diámetro interior de este bimango se elige más pequeño que el diámetro del aislamiento del cable. [19] De esta manera se crea una presión permanente entre el bimango y la superficie del cable y se evitan cavidades o puntos eléctricos débiles.
La instalación de un terminal o manguito bimanchet es un trabajo especializado. Los pasos técnicos de retirar la capa semiconductora exterior al final de los cables, colocar los cuerpos de control de campo, conectar los conductores, etc., requieren habilidad, limpieza y precisión.
Las uniones encintadas a mano son el método tradicional de empalmar y terminar cables. La construcción de estas uniones implica utilizar varios tipos de cinta y crear manualmente un alivio de tensión adecuado. Algunas de las cintas utilizadas pueden ser cintas de goma, cintas semiconductoras, cintas de fricción, cintas de batista barnizadas, etc. Este método de empalme requiere mucho trabajo y tiempo. Requiere medir el diámetro y la longitud de las capas que se están construyendo. A menudo, las cintas deben superponerse hasta la mitad y apretarse para evitar la formación de ventanas o huecos en el empalme resultante. La impermeabilización de los empalmes encintados a mano es muy difícil.
Las uniones premoldeadas son cuerpos moldeados por inyección creados en dos o más etapas. Debido a la automatización, la jaula de Faraday tendrá una geometría y una colocación precisas que no se pueden lograr en las uniones encintadas. Las uniones premoldeadas vienen en muchos tamaños de cuerpo diferentes que deben coincidir con el diámetro exterior del cable Semicon. Se requiere una interfaz de unión ajustada para garantizar la impermeabilidad. Estas uniones a menudo se presionan y pueden causar lesiones en los tejidos blandos entre los artesanos.
Las juntas termorretráctiles constan de muchos tubos termorretráctiles diferentes: aislantes y conductores. Estos kits requieren menos mano de obra que la colocación de cinta, pero más que los premoldeados. Puede haber preocupaciones por tener una llama abierta en un pozo de registro o en la bóveda de un edificio. También puede haber problemas de mano de obra con el uso de un soplete, ya que los tubos deben cubrirse por completo sin quemarse y cualquier masilla utilizada debe fluir hacia los huecos y eliminar el aire. Se debe proporcionar suficiente tiempo y calor. También hay una gran cantidad de componentes que deben colocarse en el orden y la posición correctos en relación con el centro de la junta.
El encogimiento en frío es la familia más nueva de uniones. La idea es formar un tubo de polímero con el diámetro correcto para el cable. Luego se expande sobre un molde y se coloca sobre un tubo de retención en la fábrica. Luego, cuando está listo para la instalación, el empalme se desliza muy fácilmente sobre el extremo del cable. Una vez instalado el conector, el empalmador solo necesita centrar el cuerpo del empalme y luego liberar el soporte. El tubo recuperará automáticamente su tamaño original. La única complicación es que el encogimiento en frío tiene una vida útil de aproximadamente 2 a 3 años. Después de ese período de tiempo, el caucho formará memoria y no recuperará el tamaño deseado. Esto puede provocar fallas en la unión si no se instala antes de la fecha recomendada. Desde la perspectiva de una empresa de servicios públicos, esto dificulta el seguimiento del stock o la retención de repuestos de emergencia para clientes críticos. El encogimiento en frío es el área de empalmes de distribución de más rápido crecimiento y se cree que tiene menos problemas de mano de obra con los tiempos de instalación más rápidos.
Los cables de rayos X [20] se utilizan en longitudes de varios metros para conectar la fuente de alta tensión con un tubo de rayos X o cualquier otro dispositivo de alta tensión en un equipo científico. Transmiten pequeñas corrientes, del orden de miliamperios a voltajes de CC de 30 a 200 kV, o a veces superiores. Los cables son flexibles, con aislamiento de caucho u otro elastómero , conductores trenzados y una cubierta exterior de alambre de cobre trenzado. La construcción tiene los mismos elementos que otros cables de alimentación de alta tensión.
Existen diferentes causas de un aislamiento defectuoso de los cables cuando se considera el aislamiento dieléctrico sólido o de papel. Por lo tanto, existen varios métodos de prueba y medición para comprobar que los cables funcionan completamente o para detectar los defectuosos. Si bien los cables de papel se prueban principalmente con pruebas de resistencia de aislamiento de CC, la prueba más común para los sistemas de cables dieléctricos sólidos es la prueba de descarga parcial. Es necesario distinguir entre la prueba de cables y el diagnóstico de cables .
Si bien los métodos de prueba de cables dan como resultado una declaración de aprobación o rechazo, los métodos de diagnóstico de cables permiten evaluar el estado actual del cable. Con algunas pruebas, incluso es posible localizar la posición del defecto en el aislamiento antes de la falla.
En algunos casos, la arborización eléctrica (arborización de agua) se puede detectar mediante la medición de tangente delta . La interpretación de los resultados de la medición puede, en algunos casos, brindar la posibilidad de distinguir entre un cable nuevo y uno con una arborización de agua intensa. Desafortunadamente, existen muchos otros problemas que pueden presentarse erróneamente como una delta tangente alta, y la gran mayoría de los defectos dieléctricos sólidos no se pueden detectar con este método. Los daños en el aislamiento y la arborización eléctrica se pueden detectar y ubicar mediante la medición de descarga parcial . Los datos recopilados durante el procedimiento de medición se comparan con los valores de medición del mismo cable recopilados durante la prueba de aceptación. Esto permite una clasificación simple y rápida de la condición dieléctrica del cable probado. Al igual que con la tangente delta, este método tiene muchas salvedades, pero con un buen cumplimiento de los estándares de prueba de fábrica, los resultados de campo pueden ser muy confiables.
