Un cable de alta tensión ( cable HV ) es un cable utilizado para la transmisión de energía eléctrica a alta tensión . Un cable incluye un conductor y un aislamiento . Los cables se consideran completamente aislados. Esto significa que tienen un sistema de aislamiento totalmente calificado que consistirá en aislamiento, capas semicon y un escudo metálico. Esto contrasta con una línea aérea , que puede incluir aislamiento pero no estar completamente clasificado para el voltaje de funcionamiento (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 al estrés de alta tensión, al ozono producido por descargas eléctricas en el aire o al rastreo. El sistema de cable debe evitar el contacto del conductor de alta tensión con otros objetos o personas, y debe contener y controlar la corriente de fuga. Las uniones y terminales de los cables deben diseñarse para controlar la tensión de alto voltaje y evitar la rotura del aislamiento.
Las longitudes de corte de los cables de alto voltaje pueden variar desde varios pies hasta miles de pies, con cables relativamente cortos utilizados en aparatos y cables más largos tendidos dentro de edificios o como cables enterrados en una planta industrial o para distribución de energía. Los tramos de cable más largos serán a menudo cables submarinos bajo el océano para transmisión de energía.
Al igual que otros cables de energía , los cables de alta tensión cuentan con los elementos estructurales de uno o más conductores, un sistema de aislamiento y una camisa protectora. Los cables de alto voltaje se diferencian de los cables de bajo voltaje en que tienen capas internas adicionales en el sistema de aislamiento para controlar el campo eléctrico alrededor del conductor. Estas capas adicionales se requieren 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 denominarse cable tipo H. Dependiendo del esquema de conexión a tierra, las pantallas de un cable se pueden conectar a tierra en uno o 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 emplea una cubierta semiconductora en circuitos enterrados directamente.
Desde 1960, los cables extruidos de dieléctrico sólido han dominado 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 en cables de 35 kV debido a las pérdidas; sin embargo, se puede encontrar en cables de 69 kV. XLPE se utiliza 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 de aislamiento sólidos y extruidos, como EPR y XLPE, representan la mayoría de los cables de distribución y transmisión que se producen en la actualidad. Sin embargo, la relativa falta de confiabilidad del XLPE temprano resultó en una adopción lenta en los voltajes de transmisión. Hoy en día, los cables de 330, 400 y 500 kV se construyen comúnmente utilizando XLPE, pero esto ha ocurrido sólo en las últimas décadas.
Un tipo de aislamiento cada vez menos común es el PILC o cable cubierto de plomo con aislamiento de papel. Algunas empresas de servicios públicos todavía instalan esto para circuitos de distribución como construcción nueva 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 satisfactorio para cables a 11.000 voltios. Hasta ahora, los cables aislados con papel sólo se utilizaban para circuitos telefónicos y telegráficos de baja tensión. Fue necesaria una funda de plomo extruido sobre el cable de papel para garantizar que el papel permaneciera libre de humedad. Los cables de media tensión aislados con papel impregnados en masa eran comercialmente prácticos en 1895. Durante la Segunda Guerra Mundial se aplicaron a los cables varias variedades de aislamiento de caucho sintético y polietileno . [2] Los cables modernos de alta tensión utilizan polímeros, especialmente polietileno, incluido el polietileno reticulado (XLPE) como aislamiento.
Se podría considerar que la desaparición de PILC se produjo en las décadas de 1980 y 1990, cuando las empresas de servicios urbanos comenzaron a instalar más cables aislados con EPR y XLPE. Los factores que explican el menor uso de PILC son el alto nivel de mano de obra necesaria para empalmar el plomo, tiempos de empalme más largos, menor disponibilidad del producto a nivel nacional y presión para dejar de usar plomo por razones ambientales y de seguridad. También cabe señalar que el cable cubierto de plomo con aislamiento de caucho disfrutó de un breve período de popularidad antes de 1960 en los mercados de baja y media tensión, pero no fue ampliamente utilizado por la mayoría de las empresas de servicios públicos. La mayoría de las empresas de servicios públicos consideran que los alimentadores PILC existentes están cerca del final de su vida útil y están sujetos a programas de reemplazo.
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] Se utilizó cable aislado de caucho para circuitos de 11.000 voltios en 1897 instalados para el proyecto de generación de energía de las Cataratas del Niágara .
Los cables de petróleo, de gas y de tubería se han considerado en gran medida obsoletos desde la década de 1960. Dichos cables están diseñados para tener 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 ni 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 llenos de aceite en que se instalan en una tubería rígida generalmente hecha de acero. En el caso de cables tubulares, primero se construyen los tubos y, más tarde, se pasa el cable. El cable puede tener alambres deslizantes para evitar daños durante el proceso de tracción. El volumen de la sección transversal de aceite en un cable tipo tubería es significativamente mayor que en un cable lleno de aceite. Estos cables tipo tubería están llenos de aceite a presiones nominales baja, media y alta. 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 tipo tubería generalmente tendrán un sistema de protección catódica desconectado del voltaje donde un circuito de cable lleno de aceite no lo tendría. Los sistemas de cables tipo tubería a menudo están protegidos contra la formación de vacaciones mediante un revestimiento asfáltico. En la actualidad todavía existen muchos de estos circuitos tipo tubería en funcionamiento. Sin embargo, han caído en desgracia debido al alto costo inicial y al enorme presupuesto de O+M necesario para mantener la flota de plantas de bombeo.
El alto voltaje se define como cualquier voltaje superior a 1000 voltios. [3] Se suelen denominar cables de media tensión los de 2 a 33 kV , los de más de 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 aislante, el blindaje metálico y la cubierta. Otras capas pueden incluir cintas que bloquean el agua, cordones de apertura y alambres de armadura. 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 aislante y el blindaje del conductor generalmente están basados en polímeros con algunos raras excepciones.
Los diseños de un solo conductor por debajo de 2000 KCM son generalmente concéntricos. Los hilos individuales a menudo se deforman durante el proceso de trenzado para proporcionar una circunferencia general más suave. Se conocen conductores compactos y comprimidos. Compact 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 más grandes a menudo incluyen un diseño de estilo sectorizado para reducir las pérdidas por efecto superficial. Los cables de alimentación de servicios públicos suelen estar 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 chaqueta.
El blindaje del conductor siempre está unido permanentemente al aislamiento del cable EPR o XLPE en el cable dieléctrico sólido. El escudo de aislamiento semiconductor se puede unir o retirar según los deseos del comprador. Para voltajes de 69 KV y superiores, el blindaje de aislamiento generalmente está unido. Se compra un escudo aislante desprendible para reducir el tiempo y la habilidad de empalme. Se puede argumentar que Semicon desmontable puede generar menos problemas de mano de obra en media tensión. [4] En los cables aislados con papel, las capas semiconductoras consisten en cintas metalizadas o que contienen 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 entre los conductores metálicos y el dieléctrico para que no puedan surgir pequeñas descargas eléctricas que pongan en peligro el material aislante. [5]
El blindaje aislante está cubierto por una "pantalla" de cobre, aluminio o plomo. El blindaje o funda metálica sirve como capa conectada a tierra y drenará las corrientes de fuga. La función del escudo no es realizar fallas, pero esa funcionalidad se puede diseñar si se desea. Algunos diseños que podrían usarse son cinta de cobre, alambres de cobre concéntricos, blindajes corrugados longitudinalmente, correas planas de cobre o funda de plomo extruido.
La cubierta del cable suele ser polimérica. La función de la chaqueta es proporcionar protección mecánica y evitar la entrada de humedad y productos químicos. Las chaquetas pueden ser semiconductoras o no conductoras según las condiciones del suelo y la configuración de conexión a tierra deseada. También se pueden emplear cubiertas semiconductoras en los cables para ayudar con la prueba de integridad de la cubierta. Algunos tipos de chaquetas 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 demostraron ser primordiales. En primer lugar, la introducción de las capas semiconductoras. Estas capas deben ser absolutamente lisas, sin protuberancias tan pequeñas como algunas μm . Además, la fusión entre el aislamiento y estas capas debe ser absoluta; [6] cualquier fisión, bolsa de aire u otro defecto (nuevamente, incluso de unos pocos μm) es perjudicial para el cable. En segundo lugar, el aislamiento debe estar libre de inclusiones, cavidades u otros defectos del mismo 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 fabricantes de cables y fabricantes de materiales ha dado como resultado grados de XLPE con especificaciones estrictas. La mayoría de los productores de compuesto XLPE especifican un grado "extra limpio" donde 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 realizar aislamientos puros y sin defectos. La prueba final de control de calidad 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 carrete de cable antes de su envío. [ cita necesaria ]
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 imprescindible. El material semiconductor puede ser plástico XLPE ( polietileno reticulado ) con negro de humo. [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 millas) de largo.
Los terminales de 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 líneas equipotenciales, que se pueden comparar con las curvas de nivel de un mapa de una región montañosa: cuanto más cerca estén entre sí, mayor será la pendiente y mayor el peligro, en este caso el peligro de una descarga eléctrica. descomponer . 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, controlar el campo eléctrico) se utiliza un dispositivo llamado cono de tensión , consulte la figura 9. [11] El quid del alivio de tensión es ensanchar el extremo del escudo a lo largo de una curva logarítmica. Antes de 1960, los conos de tensión se hacían a mano con cinta adhesiva, después de instalar el cable. Estos estaban protegidos por cabezales , llamados así porque se vertió 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 consistían en un cuerpo de caucho o elastómero que se estira sobre el extremo del cable. [12] Sobre este cuerpo R similar al caucho se aplica un electrodo de protección que extiende las líneas equipotenciales para garantizar un campo eléctrico bajo.
El quid 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 puedan formar cavidades ni bolsas de aire entre el cable y el cono. De esta manera se evitan averías eléctricas en esta región.
Esta construcción puede además estar rodeada por un aislante de porcelana o silicona para uso en exteriores, [14] o por artilugios para introducir el cable en un transformador de potencia bajo aceite o un interruptor 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 exteriores de ambos cables deben terminarse sin provocar una concentración de campo, [16] como ocurre con la fabricación de un terminal de cable. En segundo lugar, se debe crear un espacio libre de campo donde se pueda alojar 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] introduciendo un dispositivo llamado manguito bimanchet .
La figura 10 muestra una fotografía de la sección transversal de dicho dispositivo. En un lateral 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 piezas negras de esta imagen son piezas de caucho semiconductoras. El exterior está al potencial de tierra y propaga el campo eléctrico de forma similar a como en un terminal de cable. El interior es de alto voltaje 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 hasta la parte exterior del bimanchet (y viceversa en el otro lado del dispositivo).
El quid de la cuestión aquí, como en el terminal de cable, es que el orificio interior de este bimanchet se elige más pequeño que el diámetro del aislamiento del cable. [19] De esta manera se crea una presión permanente entre el bimanchet y la superficie del cable, y se evitan cavidades o puntos débiles eléctricos.
La instalación de un terminal o manguito bimanchet es un trabajo especializado. Los pasos técnicos de retirar la capa semiconductora exterior en el extremo de los cables, colocar los cuerpos de control de campo, conectar los conductores, etc., requieren habilidad, limpieza y precisión.
Las uniones grabadas a mano son el método de la vieja escuela para empalmar y terminar cables. La construcción de estas juntas implica tomar varios tipos de cinta y crear manualmente un alivio de tensión adecuado. Algunas de las cintas involucradas podrían ser cintas de caucho, cintas semiconductoras, cintas de fricción, cintas de batista barnizadas, etc. Este método de empalme requiere increíblemente mano de obra y requiere mucho tiempo. Requiere medir el diámetro y la longitud de las capas que se están formando. A menudo, las cintas deben traslaparse hasta la mitad y apretarse para evitar la formación de ventanas o huecos en el empalme resultante. La impermeabilización mediante empalmes con cinta adhesiva manual es muy difícil.
Las juntas 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 ubicación precisas que no se pueden lograr en uniones selladas. Las uniones premoldeadas vienen en muchos tamaños de cuerpo diferentes que se adaptan en gran medida al diámetro exterior del cable Semicon. Se requiere una interfaz de unión hermética para garantizar la impermeabilización. Estas articulaciones 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 las cintas, pero más que los premoldeados. Puede haber preocupaciones sobre tener una llama abierta en una alcantarilla 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 recuperarse por completo sin quemarse y la masilla utilizada debe fluir hacia los huecos y eliminar el aire. Se debe dar suficiente tiempo y calor. También hay una gran cantidad de componentes que deben colocarse en el orden y posición correctos con respecto al centro de la articulación.
La contracción en frío es la familia de juntas más nueva. La idea es formar un tubo de polímero con el diámetro correcto para el cable. Luego se expande sobre un molde y se coloca en un tubo de retención en la fábrica. Luego, listo para la instalación, la junta se desliza muy fácilmente sobre el extremo del cable. Después de instalar el conector, la empalmadora simplemente necesita centrar el cuerpo de la junta 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, la goma formará memoria y no recuperará el tamaño deseado. Esto puede provocar fallas en las juntas si no se instala antes de la fecha recomendada. Desde la perspectiva de las empresas de servicios públicos, esto dificulta el seguimiento del stock o la conservación de repuestos de emergencia para clientes críticos. La contracción en frío es el área de empalmes de distribución de más rápido crecimiento y se cree que tiene la menor cantidad de 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 equipos científicos. Transmiten pequeñas corrientes, del orden de miliamperios a voltajes de CC de 30 a 200 kV o, a veces, más. Los cables son flexibles, con aislamiento de caucho u otro elastómero , conductores trenzados y una funda exterior de alambre de cobre trenzado. La construcción tiene los mismos elementos que otros cables de alimentación de alta tensión.
Existen diferentes causas para el aislamiento defectuoso del cable cuando se considera el aislamiento dieléctrico sólido o el aislamiento de papel. Por lo tanto, existen varios métodos de prueba y medición para probar cables completamente funcionales o detectar cables defectuosos. Si bien los cables de papel se prueban principalmente con pruebas de resistencia de aislamiento de CC, la prueba más común para sistemas de cables dieléctricos sólidos es la prueba de descarga parcial. Es necesario distinguir entre prueba de cables y diagnóstico de cables .
Mientras que los métodos de prueba de cables dan como resultado una declaración de pasa/no pasa, los métodos de diagnóstico de cables permiten juzgar la condición actual del cable. Con algunas pruebas, incluso es posible localizar la posición del defecto en el aislamiento antes de que falle.
En algunos casos, la formación de árboles eléctricos (árboles acuáticos) se puede detectar mediante la medición de tan delta . La interpretación de los resultados de las mediciones permite en algunos casos distinguir entre cables nuevos y fuertemente arbolados. Desafortunadamente, hay muchos otros problemas que pueden presentarse erróneamente como una tangente delta alta, y la gran mayoría de los defectos dieléctricos sólidos no se pueden detectar con este método. Los daños al aislamiento y al cableado eléctrico pueden detectarse y localizarse mediante la medición de descargas parciales . 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 sencilla y rápida de la condición dieléctrica del cable ensayado. 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.
