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CABLES SUBTERÁNEOS
Elementos constitutivos de un cable
Elección del tipo de metal del conductor
Cables subterráneos de campo radial y cables subterráneos decampo no radial
Algunos datos importantes
Características de cables armados subterráneosNorma IRAM 2178
Protección de CAS
Verificación al calentamiento de un CAS
Verificación de la caída de tensión de un CASPuesta en servicio de CAS
Prof. Ing. ROBERTO CAMPOY
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Elementos constitutivos de un cable
El conduc tor
La aislación
Policloruro de Vinilo
(PVC), PolietilenoTermoplástico (PE),
Polietileno Reticulado
(XLPE).
Capas de
homogeneización
(semiconductora).Rellenos y
revest imientos
B lin daje m etálic o
(malla)Valor normativo fijado es
< a 3,3 Ohm / km, lo que
representa una sección
mínima de 6 mm2.
Arm adu ra metálic a
Vaina exterio r
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Elecci n del tipo de metal del conductor
LADO POSITIVO DELCOBRE
LADO POSITIVO DELALUMINIO
Baja resistencia de
tracciónBaja resistencia a la
oxidación
Difusión de gases
Baja resistencia a la
tracción
Alta conductividad
eléctrica Alta conductividad
térmica
Permite optimización del
volumen
Fácil de soldar Fácil de trabajar
Buena resistencia a la
corrosión
Bajo peso específico
Bajo costoPermite optimización en
peso
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Característica Unidad Cobre Aluminio
Peso específico g/cm3 8.89 2.20
Temperatura de fusión ºC 1083 658
Calor específico cal/g ºC 0.093 0.022
Coeficiente de expansión lineal 1/ºC 1.5 e-5 2.3 e-5
Resistencia a la tracción MPa 262 82.7
Alargamiento a la rotura % 15 - 35 10 –
30
Conductividad a 20 ºC IACS 100 65.5
Resistividad a 20 ºC mm2/m 0.0172 0.028
Coeficiente de Variación de la resistividad con la temperatura 1/ºC 0.00397 0.00406
Para la misma caída de tensión Cobre Aluminio
Relación de diámetro 1 1.27
Relación de sección 1 1.63
Relación de peso 1 0.50
Para la misma intensidad de corriente Cobre Aluminio
Relación de diámetro 1 1.19
Relación de sección 1 1.42
Relación de peso 1 0.40
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Cables subterr neos de campo radial y cablessubterráneos de campo no radial
En un cable unip olar , las
líneas de fuerza del campo
elec tro státic o ti enen el
aspecto representado en la
figu ra, es decir, se trata de un
campo radial , establecido
en tre la m asa metálic a del
cond uctor y la envol tura
metálica exteri or . Por lo tanto,
lo s es fuerzos eléct ric os a es te
campo electrostático sólo s on
sopo r tados por el ais lamiento
del cond uctor .
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En un c able tripolar, destinado a
transpor tar una cor rient e trifásic a,
con ais lamiento conjunto de los
tres conducto res, el campoelectr os tático tiene la fo rm a
representada en la Figura, ya que
no se trata de un campo radial sino
qu e cada línea de fuerza puede
descomp onerse en dos
componentes, una perpendicular y
la otra tangencial al aislante
común. Esta desigualdad en laslíneas d e fuerza es d ebi da a que
los po tenciales existentes entre
cada uno de los cond uctores y la
envo ltur a metálica exteri or , no son
sim ultáneamente igu ales , debido al
desigual reparto d e tensiones
existentes en todo sistematrifásic o; po r ejemplo , si en un
momento dado, la tensión
existente en el condu ctor R es +U ,
la tensión existente en cada uno de
los conduc tor es S y T será,
precisamente, - U/2 .
Cables subterr neos de campo radial y cablessubterráneos de campo no radial
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Cables subterr neos de campo radial y cablessubterráneos de campo no radial
Höch städter fue el
pr imero en reconocer
que un cab le debería
estar sol ic i tado
solamente en sent ido
perpendicular a la capa
aislante para lo qu e,
sob re la capa aislante
de cada conduc tor,
envolv ió una banda depapel metal izado o
bi en una fi nísima hoja
metálica , es dec ir
com o si s e trataran d e
tres con ducto res
unipo lares con una
cubierta común ; laforma del campo
res u ltan te es tá
representada en la
f igu ra, es decir, se trata
de tres campo s
radialesindependientes.
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Algunos datos importantes
La cub ierta de plomo ó la pantal la
metálic a, además de suponer una
protec ción mecánic a, prod uc e un a
distr ibuc ión radial del camp oeléct ric o y co nt ro la el rep arto
long itu di nal d e la tensión di eléct ric a.
Las co nd icio nes eléctr icas de u n
cable con cubierta de plom o ó con
pan talla m etálica sob re su
aislamiento , son bastante diferentes
a las qu e se presentan en las
terminaciones d e cable, don de la
cu biert a metálica (pl om o o pan talla)
se interrumpe brus camente . En
estos pun tos el potencial del
cond uc tor será igu al a la tensión d e
trabajo, mientras qu e el potenc ial dela cu biert a metálica, p ues ta a tier ra
será cero . Sin embargo entr e ambos
exis tirán in fini tas superfic ies
cilínd ric as equ ipo tenc iales.
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Algunos datos importantes
El c ampo eléctr ic o se
concen tra fuertemen te en el
bo rde de la cu biert a metálica yse va dispersando
gradualmente a lo largo d el
extremo del cable, desprov isto
de cubierta. En la Figur a se
aprecia claramente la
distr ibuc ión del camp o
eléctr ic o a t ravés de los dos
di eléct ric os , aire y aisl am ien to
del c able. Examinando esta
distr ibuc ión, se obs erva que la
tensión por unidad (es decir,
la intensidad de campo ) sobre
el aislam iento, es muy elevadaen el borde de la cub ierta
metálic a B y d ecrece
consid erablemente al l legar a
la punta A.
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8”
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Algunos datos importantes
Al d i
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Algunos datos importantes
Al d t i t t
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Algunos datos importantes
C t ti d bl d bt
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Caracter sticas de cables armados subterr neos
Factor geométrico (G)La relación entre el espacio formado por la cara interna de la pantalla y la cara exterior del
conductor en un conductor simple con pantalla, se expresa por G .
d
ri2log303,2G 10
Figuras E y F
Sec+ y Sec -
C t ti d bl d bt
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Caracter sticas de cables armados subterr neos
La resistencia de secuencia negativa y de secuenc ia posit iva incluid o el efecto de la pantal lapara un con ductor sim ple es:
en ohm por fase y por milla
donde rc es la resistencia en corriente alterna del conductor solamente incluido el efecto skin.
Esto es para una disposición equilátera. (xm =reactancia mutua entre conductor y pantalla;
rs =resistencia de pantalla)
Las pérdid as en la vaina para cond ucto res tripo lares es desp reciable y solamente si so n muy
largos , a las pérd idas normales se le debe agregar un 3% a un 5 %.
r rcrs xm
rs xmrcra
22
2
C t ti d bl d bt
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Caracter sticas de cables armados subterr neos
Faja metálica
Faja aislante
Reactancia de secuenciapositiva y de secuencia
negativaPara conductor simple:
Para conductor tripolar:
22
C1
C310
rsxm
xm
GMR
GMDlog
60
f 2794,02x1x
C1
C310
GMR
GMDlog
60
f 2794,02x1x
C t ti d bl d bt
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Caracter sticas de cables armados subterr neos
Cable de tres conductoresEl circuito equivalente para circuito simple de cable de tres conductores sólidamente conectados a
tierra por sus pantallas, es mostrado en la Figura A y B.
La impedancia de un g rupo de tres condu ctores paralelos, considerando la presencia del
retorn o por tierra, pero igno rando por el momento la presencia de la pantal la, es dada en laecuación 1 y 2.
La impedancia mutua entre cond uctor y pantalla, considerando la presencia del retorno p or
t ierra el cual es común para ambos, cond ucto res y pantal la, es:
rc=fase, re=tierra;xa=fase;xe=tierra
c
eecc
GMR
D f jr r Z
3
10log*60
*8382.0d eaecc x x x jr r Z *2
io
eem
r r D f jr Z *2log*
60*8382.0 10
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El circuito equivalente de la Figura D es la conversión de la figura de arriba, Figura B, que combina
la impedancia mutua en una sola serie de elementos comunes.
Para este circuito , ambo s cam inos d e retorno , tierra y pantal la, la impedanc ia de secuenc ia
cero es:
Si la cor riente retorna solo p or la pantal la es:
Si la corr iente retorna solo por la t ierra y no por la pantal la, y en todo caso con cable no
fajados o con ais lac ión sin cubierta y po co espaciados, la impedancia de secuencia cero es:
s
mm smco
Z
Z Z Z Z Z Z
m smco Z Z Z Z Z
mmco Z Z Z Z
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Figuras E, H
Cable de
campo NO
radial
Cables de
campo radial
Las capacitancias shunt positivas, negativas y de secuencia cero para un conductor simple, con pantalla, son
iguales y puede derivarse de la curva de la Figura E. Para los cables fajados de tres conductores y de sector circular,
es similar que el cable de un simple conductor y cada fase es envuelta por la cobertura metálica puesta a tierra; por lo
tanto la reactancia de secuencia positiva, negativa y de secuencia cero son iguales y dependen del factor geométrico
relativo propio del conductor. El factor geométrico del cable de tres conductores fajado, de conductor sectorial es
aproximadamente igual al del conductor circular.Para un con ducto r único o tres co nduc tores fajados (o s ea cable de campo radial) , según la Figura E, las
capacidades de secuencia directa, inversa y hom opolar so n:
G
k C C C .0892.0021
k f
G x x x
*
79.1´0´21́
Km F
mmlconductor diametrode
mmapantallardebajodel diametropo
k C e /10
)(
)(ln
.56,5 2
Km F
a Rr nductoradiodelcoa Rlableypantal centrodecaatoresosdeconducentrecentr
k Cg /
)27()())(3()(ln
.111,0
662
3222
ctoresentreconduerior antallaext conductorp g E C C C C C 330
C t í ti d bl d bt á
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Características de cables armados subterráneos
NORMA IRAM 2178
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NORMA IRAM 2178
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TIPO DE AISLANTE TEMPERATURA DEOPERACIÓN NORMAL
TEMPERATURA DESOBRECARGA DE
EMERGENCIA
TEMPERATURA DECORTOCIRCUITO
PVC 70 ºC 100 ºC 160 ºC
XLPE 90 ºC 130 ºC 250 ºC
CAUCHO ETILENO
PROPILENO (EPR)
90 ºC 130 ºC 250 ºC
ACEITE 70 ºC 90 ºC 160 ºC
NORMA IRAM 2178
Sobrecarga de emergencia: es la máxima temperatura que se puede
alcanzar bajo condiciones de tiempo de funcionamiento y frecuencia de
ocurrencia del fenómeno. Esta exposición a las condiciones que dan la
temperatura no debe ser mayor a 100 horas en un año ni mayor a 500
horas en toda la vida útil del cable.
Cortoc i rcui to: es la temperatura máxima a alcanzar en condición de
cortocircuito durante un tiempo máximo de 5 segundos.
Protecci n de CAS
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SSC 70
tmin I( )
tmax I( )
I
0.1 1 10 1001 10
3
0.01
0.1
1
10
100
1 103
1 104
1 105
Protecci n de CAS
tITi
Tf ln1kS
2
1
2
1
maxTi
maxTf ln1kmaxk 2
1
minTi
minTf ln1kmink
tImaxkS tIminkS
22
2
InI
1
maxk
Smaxt
22
2
InI
1
mink
Smint
Método desarrollado y aplicado en La
Cooperativa, Empresa Eléctrica de
Godoy Cruz, por el Prof. Ing. Roberto
Campoy, en vigencia desde hace 20
años en al mencionada empresa con
óptimos resultados. Se remite al lector a
consultar la Norma IEC 60287.
Curva mínimaCable aislación en aceite
Timin = 70 ºC; Tfmin = 71 ºC
a 72 ºCCable aislación seca
Timin = 90 ºC; Tfmin = 91 ºC
a 92 ºC
Curva máximaCable aislación en aceite
Timax = 70 ºC; Tfmax = 90 ºC
Cable aislación seca
Timax = 90 ºC; Tfmax = 130
ºC
Protecci n de CAS
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Protecci n de CAS
Corriente admisible por la pantalla:Determinación de la sección de la pantalla:
Según datos técnicos de fabricantes de cables, el espesor de la pantalla de plomo de un cable armado subterráneo aislamiento papel –
aceite de 3x185 mm 2 (consid erado sin protecc ión de plástico ) es de 2,3 mm .
El diámetro del c able comp leto es (consid erando el fleje y sin proy ección de plástico ) 63,1 mm.
Por lo tanto la sección viene dada por:
k1 = 24,2 para el plomo (constante del material)
k2 = 1,62 para el plomo (coeficiente de temperatura) Para cable de plomo y 100 mseg y k3 = 0,9:
k3 = ver Tabla y gráfico
b = constante de apantallamiento = 0,38 para el plomo
ζk = espesor de la pantalla en mm = 2,3 mm
Cte de apanatallameinto/espesor depantalla
2224393,221,631,63
4mmS
16.03.2
38.0
Sk
bkA
t k k k
S I 39
1,09,062,12,24
439
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Verificaci n al calentamiento de un CAS
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Verificaci n al calentamiento de un CAS
Para la elección de un cable es necesario disponer de los folletos de los fabricantes a fin de
tener la corriente máxima admisible en caso de carga normal, y para cables subterráneos es
necesario conocer las características del terreno.
Las normas especifican una Temperatura del Terreno de 20º C y una Res is ti vi dad Térm ica del terreno de 100º C cm/W. Para condiciones distintas hay factores de corrección.
En cuanto al calentamiento del conductor o sea el alma del cable, no debe superar los 60º C. No
hay que confundir esta temperatura con la dada anteriormente que es la del aislante.
El Incremento de Temperatura del CAS, ∆T, se determina según la siguiente ecuación:
en ºC
Donde ΔTn es el incremento de temperatura en condiciones normales y su valor es de 40º C a
45º C, I es la corriente de sobrecarga del cable e In la nominal admitida para no romper el
equi l ibr io térm ico entre el Cu, su aislante, su rel leno, las mallas de con trol d e campo y d e
protec ción mecánic a y el terr eno .
Respetar esta condición hace que el paréntesis de la fórmula al cuadrado no supere el valor de1,5 , por lo que la corriente de sobrecarga en condiciones de no sobrepasar los 60º C, del cable
es no mayor a 1,22 veces la In .
Evidentemente esto no contempla lo que ocurre en el aislante del cable ni lo que ocurreintroduciendo la variable tiempo, ya que como se dijo, son condiciones estables de
funcionamiento. Por estos motivos se conformó anteriormente la curva I 2 t del CAS.
2
In I TnT 2)22,1(4060
Verificaci n de la ca da de tensi n de un CAS
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Verificaci n de la ca da de tensi n de un CAS
Responde a la siguiente fórmula
Los valores de R y X salen de los folletos de los
fabricantes.
sen X Rmetros Longitud A InVolt V )(cos)()().(3)(
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CAS
La reflectometría es un método de localización de fallas en cables subterráneos. Realizar unensayo reflectométrico previo a la puesta en servicio de un cable, tiene por finalidad determinar
las características del cable, la ubicación de empalmes en la traza del cable, las distancias entreéstas, la velocidad de propagación de la onda y la longitud total del mismo.
Es importante que la planimetría del tendido del cable sea lo mas detallada posible para poderfacilitar la búsqueda de fallas a posteriori.
Los equipos de reflectometría hacen uso de los fenómenos de propagación de ondas.Éste metodo permite visualizar la totalidad, o alguna parte, del reflectograma del cable bajo
ensayo sobre la pantalla del un osciloscopio
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CAS
El impulso reflejado es una típica señal de cada tipo de discontinuidad, o falla en el cableLa interpretación del reflectograma así obtenido, puede hacerse con la ayuda de un gráfico de la
instalación del cable, por comparación de posiciones empalmes y las entregadas por el
reflecograma.Tanto el final del cable como los empalmes presentan una impedancia característica distinta a la
del cable, este cambio de impedancia se verá reflejada por el reflectómetro. Amplitudescomparables entre el final del cable (circuito abierto) y los empalmes representan variaciones
importantes en el cambio de impedancia, y por lo tanto posibles puntos de falla, en estascondiciones y con diferencias del 20 %, debe considerarse realizarlo nuevamente.
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CAS
Estando el capacitor cargado, un acercamiento del electrodo móvil E hace que la
energía almacenada en el capacitor Cg se descargue en la fase a ensayar y el
frente de onda viaje hacia la falla a la velocidad Vf . Si la amplitud del impulso
aplicado es mayor que la tensión de cebado de la falla, cuando éste llegue a lamisma, provocará un arco que refleja la onda incidente hacia el generador igual que
en la Reflectometría Convencional.
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CASEL USO DE FECUENCIAS DE 0,1 Hz, PARA VERIFICACIÓN DE CAS, EN
CUANTO A PÉRDIDAS DIELÉCTRICAS Y LOCALIZACIÓLN DE FALLAS.M. Muhr, C. Sumereder, R. Woschitz
Institute of Electrical Power Systems anci High Voltage Engineering
Resumen
Hay varios requerimientos para ensayar un CAS, en campo. El equipo de medición
debe ser transportable, la longitud del CAS puede demandar compensaciónde la capacidad del mismo, lo cual debe resolverse, y el resultado de la
medición debe ser de fácil interpretación. Hoy en día el diagnóstico de la
aislación de un CAS, tiene que ser hecha en donde se produjo la falla. Hastaahora el método de ensayo, con frecuencia de potencia, o sea a 50 Hz, es el
que comúnmente se usa.
Ensayo de CAS
Generalmente no se requieren ensayos del CAS antes de ponerlos en operación,
pero es útil a fin de minimizar las fallas. Los ensayos más importantes para
evaluar las condiciones de cables mallados y con aislamiento en XLPE son:
Insulation resistance (resistencia de aislamiento). Electrical strength (rigidezdieléctrica)
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CASENSAYOS
Freguency 50Hz 0,1 Hz Voltage 2 x U0 3 x U0, Breakdown (Destructivo) yes/noyes/no.
La tensión aplicada para 0,1 Hz, es 1,5 veces mayor que para 50 Hz, y el tiempo
de aplicación el mismo. El valor de la rigidez dieléctrica, es solo para sabersi el cable pasa o no el ensayo. El estado referido a la condición de
resistencia de aislamiento, no puede ser hecho con este tipo de ensayo.
Comparación de lo s ensayo s a 50 Hz y 0,1 Hz
Haciendo la comparación entre los dos métodos, tiene ventajas el de 0,1 Hz,
ya que la frecuencia es 500 veces menor y aunque la tensión es un 50 %mayor, la energía puesta en juego es 222 veces menor.
Por esta razón el equipo es mucho más pequeño. En sistemas de distribución con
longitudes de cables grandes, se tienen capacidades de carga importantes. Si
este valor es grande, en 50 Hz, es posible que no se alcance el requerimiento
de tensión necesario para el ensayo.
Usando equipamiento de 0,1 Hz, esto no solo es posible sino que además se
puede decidir si el cable pasa o no el ensayo de aislación.
Opcionalmente pueden determinarse:Tangente δ.
Descargas Parciales (PD).Localización de fallas.
Puesta en servicio de CAS
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Puesta en servicio de CASNORMA AEA
Se adjunta lo que especifica respecto a los ensayos, y de esto rescato
la referencia a las dos Normas extrajeras, IEC e IEEE, con lo cual en mi
opinión deberíamos instrumentar los siguientes ensayos a partir de lacompra del nuevo equipamiento:
1) ENSAYOS DE TENSION RESISTIDA (WITHSTAND TESTS); Aquellos ensayos que pueden ser realizados tanto en CC -VLF y/o CA
50Hz, y cuyos resultados deberán ser del tipo ruptura o no ruptura,
excluyendo consideraciones de carácter predictivo, y categorizados
como “Ensayos de tipo Destructivo”, significando esto, que por la
ejecución del propio ensayo, la muestra puede ser perforada, obligando
a su reparación y re-prueba (repetición del ensayo) antes de la puesta
en servicio.
2) ENSAYOS DE ACEPTACION (ACCEPTANCE TEST); Aquellos que
se realizan después de que el cable ha sido instalado, incluyendo susempalmes y terminales, pero antes de que sea puesto en servicio por
primera vez, aclarando que el objeto del ensayo es solo el de exponer o
descartar errores cometidos o defectos surgidos durante su instalación.
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Puesta en servicio de CAS3) ENSAYOS DE INSTALACION, (INSTALLATION TEST), Aquellos
ensayos que se realizan al cable, (únicamente), pero antes de la
ejecución de empalmes y terminales, aclarando que el objeto del
ensayo es solo el de exponer o descartar errores cometidos, o defectossurgidos durante su instalación almacenamiento y/o traslado.
4) ENSAYOS DE MANTENIMIENTO (MAINTENANCE TEST), Aquellos
que se realizan durante la operatoria normal de cable o vida útil del
tendido, (servicio); y cuyo objeto es solo detectar un deterioro del
sistema, o su confiabilidad inmediata para seguir en servicio.
5) ENSAYOS DE TIPO O CATEGORIA DESTRUCTIVA: Aquellos que
por su aplicación, incluyen la probabilidad de que la muestra pueda ser
perforada, obligando a su reparación y re-prueba (repetición del ensayo)
antes de la puesta en servicio.
6) VLF: Tensión de prueba de frecuencia alternada, desde 0,01Hz a
1Hz, con formas de ondas del tipoSINUSOIDAL
COSENO RECTANGULAR
BIPOLAR RECTANGULAR
ESCALONES DE ALTERNANCIA NEGATIVA Y POSITIVA.
7/17/2019 Cables subterraneos
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