Sistemas de cables de energía aislados de media y

alta tensión

Selección de accesorios, montajesy pruebas

Sistemas de cables de energía de

aislamiento extruido de media y alta tensión

� Normativa vigente: IEC Vs. AEIC, NEMA-ICEA, – Cables de media y altatensión.

� Teoría del cable eléctrico

• Tipos de cable en función del sistema

• Elementos componentes de los cables

� Los parámetro eléctricos del cable, caída de tensión

� Ampacidad-condiciones normales de operación.

� Corriente de cortocircuito térmica y corriente pico, efecto electrodinámico.

� Selección de accesorios. Normas IEC Vs IEEE

� Pruebas eléctricas de cables y accesorios-Pruebas de laboratorio.

� Cuidados en la instalación y detalles de montaje.

� Pruebas eléctricas después de instalados.

� Conclusiones

Normativa vigente sobre cables :

NTP -IEC• IEC 60183:1984 Guide to selection of high-voltage cables.

• IEC 60060-1:1989 High Voltage test techiques-Part 1: General definitions and test requirements

• IEC 60229:2007 Electric cables-tests on extruded oversheats with special protective functions.

• IEC 60230:1966 Impulse test on cables and their accesories

• NTP 350.250:2008 CONDUCTORES ELECTRICOS. Conductores para cables aislados (IEC 60228)

• Normas NTP IEC 60502-2: Cables de energía con aislamientoextruído y sus accesorios para tensiones nominales desde 1 kV (Um = 1,2 kV) hasta30 kV (Um = 36 kV). Parte 2: Cables para tensionesnominales de 6 kV (Um = 7,2 kV) hasta 30 kV (Um = 36 kV)

Normativa vigente sobre cables :

NTP -IEC

• IEC 60287-1-1:1994: Electric cables- Calculation of the current

rating-Part 1:Current rating equations (100% load factor) and calculation of

losses.

• IEC 853-2 : Calculation of the cyclic and emergency current rating of

cables. Part 2.

• CENELEC prHD629.1:Test requirement on accessories for use on

power cables from 3.6/6 (79) kV up to 20.8/36 (42)kV

• IEC 60840 : Power cables with extruded insulation and their accessories for rated voltage 30 kV (Um=36 kV) up to 150 kV (Um= 170 kV)- Test methods and requirement

Normas referenciales USA: AEIC,

Nema-ICEA, IEEE

• AEIC CS5: Specifications for cross-linked polyethylene insulated

shielded power cables rated 5 through 46 kV

• AEIC CS6: Specifications for cross-linked polyethylene insulated

shielded power cables rated 69 through 138 kV

• NEMA WC7: (ICEA S-66-524): Cross-linked polyethylene insulated

wire and cable for transmission and distribution of electrical energy

• IEEE 404: Standard for cable joints for use with extruded dielectric cable

rated 5000-138000 V

• IEEE 48: Standard test procedures and requirements for alternating

current cable terminations 2.5 kV through 765 kV

Normas referenciales USA: AEIC,

Nema-ICEA, IEEE• IEEE400 Guide for field testing and the evaluation of the

insulation of shielded power cable systems.

SISTEMAS TÍPICOS

WYE (Estrella)

(Sistema con neutro puesto a

tierra o protección fase a

tierra menor de 1 minuto)

100 %Nivel de Aislamiento

A

BC

DELTA

(Sistema sin puesta a tierra

o sin protección fase tierra

con liberación de falla a

tierra menor de una hora)

133%Nivel de Aislamiento

A

B

C

La especificación del nivel de aislamiento del cable

debe ser realizada con base a la Tensión Fase-Fase

y el Sistema de instalación.

NIVELES DE AISLAMIENTO

El sistema de protección actuará y liberará la falla Fase-tierra:

� Según sistema americano

• 100% Level - dentro de 1 minuto

• 133% Level - dentro de 1 hora ( no más )

• 173% Level - tiempo no está determinado

� Según IEC 183 guía para la selección de cables aislados de A.T. se irá al nivel de

aislamiento superior dependiendo caiga en categoría A, B o Csimilar al USA

�Esto determinará en parte el tipo de cable

Tipos de Cables

• Unipolar o monopolar

• Tripolar

Capas de los Cables

• Conductor

• Blindaje del Conductor

• Aislación

• Blindaje de la Aislación

• Semiconductor

• Metálica

• Cubierta externa

Teoría electromagnética del cable eléctrico

El AIRE lleva la PEOR PARTE!!!!

5000 VAire K=11 cmE (aire) = 5000 V/cm

El AIRE lleva la PEOR PARTE!!!!

15000 V

Aire K=11 cmE (aire) = 9000 V/cm

2 cm Aislante K=3E (aisl.) = 6000 V/cm

Pantalla sobre el conductor

El aislamiento

El campo eléctrico

Pantalla semiconductiva sobre el aislamiento

Curvas equipotenciales dentro del aislamiento

Líneas de campo y curvas equipotenciales

Pantalla metálica y cubierta externa

Cubierta externa

Los parámetro eléctricos del cable. Resistencia eléctrica

• La resistencia eléctrica ( Ohm/km ). Los valores de

referencia están dados en la norma NTP 350.250

(IEC 60228) para cada sección.

Resistencia a la temperatura de trabajo (Rt), en Ohm.

Rt = R ( 1+ α20 . ∆T) en Ohm/km

Donde:

α20 = coef. de temp. a 20 °C = 0.00393 para el Cu

∆T = diferencia de temperatura = temperatura de

trabajo - 20 °C

En la IEC 60287-1-1:1994 se tiene la metodología pa-

ra un cálculo preciso

Los parámetro eléctricos del cable, Reactancia inductiva

• La inductancia y la reactancia inductiva: Son datos

normalmente dados por el fabricante.

• El cálculo de la inductancia para cables unipolares considerará

el valor medio del coeficiente de autoinducción:

Lm= 0.2 ln (ā / re ) , mH/km

ā = distancia media geométrica (2) . a

a = separación entre eje de conductores, mm

re = radio equivalente del conductor en mm = 0.779r

• La reactancia inductiva: Xl = 2.Π.f.Lm, Ohm/ km

⅓

Los parámetro eléctricos del cable.Caída de tensión

• Caída de tensión (∆V):

∆V = √3 x I.L (Rt.cosφ + Xl.senφ) en Voltios

Se maneja como línea transmisión corta,donde Xc se desprecia

Donde:

• √3 se considera para circuitos 3φ y 2 para circuitos monofásicos.

• I = corriente en amperios.

• L = longitud del circuito en km

• Rt = Resistencia del condutor a la temperatura de trabajo en este caso en Ohm/km.

• cosφ = Factor de potencia de la carga.

• Xl = Reactancia inductiva del conductor (Ohm/km)

Los parámetro eléctricos del cable.Capacitancia

• La capacitancia de los cables unipolares

apantallados está dado por:

C=5.56 εr . 10¯ ² µF/kmLn(Ds/dc)

Dis = diámetro sobre el asislamiento

Dc = diámetro sobre el conductor, incluye capa sem.

εr = constante dieléctrica relativa. Para el XLPE 2.4

Los parámetro eléctricos del cable.La corriente de carga

• Es la corriente capacitiva que circula por el

conductor por efecto condensador

Ic = Uo.ω.C. 10¯ ³ A/km

Uo = Tensión operación fase tierra kV

ω = Frecuencia angular 2πf, ciclos/s

C = Capacitancia de servicio, µF/km

Ampacidad: condiciones normales de operación

• El cálculo de la capacidad de corriente está dado en

detalle en la publicación IEC 60287

• Basa su cálculo en un problema de transferencia de

calor y hace uso de la ley de Ohm térmica.

• En la norma NTP-IEC-60502-2 se presentan tablas de

capacidades de corriente para diferentes

combinaciones de cables, de todas la secciones

normalizadas, tanto para conductores de Cu como de

Al, para cables de de 6 a 36 kV (Um)

Ampacidad: condiciones normales de operación

• Las capacidades de corriente calculada en

dicha norma IEC tiene en cuenta lo siguiente:

� Valores tabulados para 6/10kV pero válidos en

términos prácticos para el resto.

� Cables unipolares sin armadura, para el XLPE se ha

considerado pantalla de alambre de cobre con

sección nominal de pantalla dado.

� Se ha considerado para los cables unipolares que las

pantallas están puestas a tierra por ambos extremos.

Ampacidad: condiciones normales de operación

� La temperatura del terreno se considera a 20°C

� La resistividad térmica del terreno : 1.5 °K.m/W

� Los cables unipolares enterrados en contacto y con un D de separación.

� Profundidad de instalción 0.8 m

� Temperatura sobre el conductor de 90 °C

• Por lo tanto una corriente seleccionada para un determinado cable se verá afectada de una serie de factores, tomados de las tablas indicadas en la normacuyo valor difiera de los valores normalizados (dados arriba)

Ampacidad: condiciones normales de operación

• Asimismo en caso de sistemas de varios

cables, hay que escoger un factor por

agrupamiento y aplicar a la ampacidad

original.

• Expresión para calcular la ampacidad a una

temperatura diferente de operación:

In/Ix = √(∆Tn)/ √(Tx-20°C)

Ampacidad: condiciones normales de operación

• Caso de cables de alta tensión, cálculo debe ser validado por fabricante indicando metodología (IEC 60287 u otra dependiendo procedencia)

• Normalmente se está considerando un solo puntoaterramiento rígido de las pantallas, para evitarcorrientes circulatorias debido a la tensión inducidaen un circuito cerrado (aterramiento ambos extremos)

• Por seguridad en el otro extremo se considera el usode limitadores de tensión, de manera que ante un sobrevoltaje mayor al indicado actúe y derive a tierra

Condiciones de cortocircuito

• Máxima corriente permisible de falla deben ser

coordinada con equipos de protección. Hay

que determinar su magnitud en función del

tiempo

• La corriente media eficaz de cortocircuito:

Ikm = K. S/√t, kA

S = Secciòn transversal conductor en mm2

t = tiempo de desconexión en s

K = coeficiente función de temperatura y el material

Condiciones de cortocircuitoCálculo de coeficientes

• K = k1.k2 = 0.227k2

K1 = constante del material = (b20 (θ + 20)Ce) .10 ³

b20 = Conductibilidad específica del material a 20 °C

para el Cu = 58 , m/(Ohm.mm² )

θ = coeficiente de la temperatura de la resistencia eléctrica a

0 °C, para el Cu = 234.5 en °K

Ce = Calor específico por unidad de volumen, para el Cu

3.47, W.s/°K.cm³

½

Condiciones de cortocircuitoCálculo de coeficientes

K2 = √ ln ( θ + T2) = 0.6331

θ + T1

T1 = Temperatura inicial en °C

T2 = Temperatura final en ° C

Ikm= 0.143 S/√t kA

Curva Ikm Vs Tiempo

Solicitaciones electrodinámicas

• El cálculo parte de la potencia de cortocircito

para determinar el impulso de la corriente de

cortocircuito en ese punto

• Ik = Sk/√3.U kA (rms) , si Sk en MVA y U en kV

Sk = potencia inicial simétrica de ctocto

Ik = Corriente inicial simétrica de ctocto

• Is = Impulso de la corriente de cto cto (amplitud)

Is = 1.8. √2. Ik KA

Información requerida para una

correcta selección de cablesCondiciones de operación• Voltaje nominal del sistema U

• Voltaje máximo del sistema

• Frecuencia

• Tipo de sistema: neutro aislado, sólidamente puesto a tierra, etc. Máxima duración de puesta tierra

• Valor de tensión de impulso

• Altura sobre el nivel del mar (terminaciones)

• Corriente máxima de operación contínua

• Requerimiento de ciclo de carga ( curva de carga)

• Máxima corriente de cortocircuito (entre fases y fase tierra)

• Máximo tiempo antes que se libere el ctocto.

Información requerida para una

correcta selección de cablesDatos de instalación:

• Longitud y perfil de la ruta

• Detalles del tendido de los cables: disposición,

aterramiento, etc

• Profundidad de instalación

• Cables directamente enterrado o en ductos

• Temperatura de terreno, resitividad

• Materiales de ductos, espaciamiento, diámetro interno

del ducto, número de ductos

Selección de accesoriosNormas IEC vs IEEE

• La norma NTP IEC 60502-2 está siendo empleadapor lo general en la especificación de cables hasta 30 kV.

• Los accesoridos pueden especificarse también en base a dicha norma (no común aun) o la Ceneleccorrepondiente o las americanas IEEE ( Es recomendable no especificar ambas “y”)

• Cada grupo de normas las americans y las IEC tienensus propias recomendaciones, base de pruebas , perono necesariamente coinciden en valores

Selección de accesoriosNormas IEC vs IEEE

• Pero cada grupo de normas y su consiguientedesarrollo tecnológico tiene ya su propia historiasatisfactoria en el tiempo basado en investigación , desarrollo, pruebas y evaluación de campo (muchasveces aporte de los usuarios)

• En caso de cables y accesorios de alta tensión vale la misma recomendación

• La norma IEC 60840 de cables y accesorios tratacomo un “sistema” de manera más elaborado y esutilizada como base de especificación del conjunto

Selección de accesoriosNormas IEC vs IEEE

• La norma IEC 60840 no habla de un espesor de

aislación específico por nivel de tensión, presenta las

pruebas a efectuar al sistema para cada Um. (este

valor de Um tiene que estar definido y/o aceptado

por el cliente)

• Es muy importante entonces si se decide la

adquisición de cables y accesorios de un fabricante

que proveerá el sistema completo , que las pruebas

de los accesorios se hayan efectuado sobre el mismo

tipo de cable que suministrará.

Selección de accesoriosNormas IEC vs IEEE

• También es aceptado que el cable da alta

tensión manufacturado sobre la IEC 60840 ,

pueda proveérsele accesorios manufacturados

según IEEE siempre y cuando se conozcan las

características del cable y sobre todo el espesor

de la aislación. Es decir para ciertos espesores

no habría una garantía, si es que no se tiene un

registro de pruebas del fabricante de acceosios.

Selección y suministro de cables y

accesorios de A.TLas siguientes características deben ser conocidas o declaradas ( cables):

• Nombre del fabricante

• Voltaje nominal del cable Uo, U, Um

• Tipo de conductor y si lleva protecciones de bloqueode agua

• Material y espesor de aislación

• Tipo de proceso de manufactura de aislación

• Si llevará protección contra ingreso de humedadlongitudinal en el área de apantallado.

• Material y constitución de pantalla metálica

Selección y suministro de cables y

accesorios de A.T• Características y espesor de cubierta metálica ( si

lleva) y/o de envoltura metálica longitudinal, de

bloqueo radial de humedad

• Material y espesor nominal de la cubierta externa.

• Diámetro nominal externo final del cable.

• Diámetro nominal del conductor.

• Diámetros interno y externo sobre el aislamiento.

• Capacitancia nominal entre conductor y pantalla

metálica

Selección y suministro de cables y

accesorios de A.T

Las siguientes características deben ser conocidas o declaradas ( accesorios):

• Cables usados en prueba de accesorios debenser totalmente identificados

• Conexión del conductor y conector recomendoo seleccionado debe estar correctamenteidentificado

• Accesorios a ser probados deben ser correctamente identificados repecto a:

Selección y suministro de cables y

accesorios de A.T

• Nombre del fabricante

• Tipo de accesorio, designación y fecha de

manufactura

• Voltaje nominal

• Instructivo de instalación

Instalación TerminacionesCapas del Cable

Lineas Equipotenciales

Sistema Capacitivo

Lineas EquipotencialesSistema Capacitivo

Tipo de terminaciones

• En media tensión tenemos el tipo polimérico y

3M trabaja el sistema autocontraible de goma

silicona

• En alta tesión tenemos los siguientes tipos:

1) tipo autosoportado de porcelana

2) Tipo autosoportado de silicona

3) Tipo atocontraible de goma silicona

Terminación Exterior 3M TP123 –Autosoportado Porcelana

86 mmMax. diameter over insulation

240 … 1200 mm², Al, Cu / rm, reCable conductor cross section

Approx. 180 kgWeight

Approx. 30 kgFluid quantitiy

compression or screw boltConductor connection technique

passedType test according to IEC 60840-1.99 GB 11017.3.2002

550 kVLightning impulse withstand voltage 1,2/50

185 kV, 1 min. dry and wetPower frequency withstand voltage

4000mm/IV Pollution layer class

Vertical +/-30 degreesPosition of installation

1kNThe max. tensile strength of the conductor connector

2MpaThe max. inter pressure

12 KNCantilever strength

1130 mmFlash-over distance

4000 mm Leakage path

Porcelain insulator with interval sheds

design, fluid filled,

Insulation

1100 mmWith pole centre distance

126kVMax. permissible voltage / Umax

64 / 110 (126) kVRated voltage Uo / U

Conjuntos de Terminación Autocontraible

3M™ QT-III Serie 7672-S-8 para 69/72.5 kV

• Ventajas

– Fácil y rápida instalación

– Liviano

– Compacto

– Confiabilidad 3M

– Alta calidad

Cuidados en la instalación de cables y sus

accesorios

• Asegurar un correcta selección del terminal en función del sistema y tipo de cable

• Asegurar un equipo de montaje entrenado

• Cuidados extremos con la seguridad

• Elaborar un procedimieto de trabajo que vea detallesde equipos, herramientas, instuctivo único, detalles de montaje, limpieza, etc

• Contar con supervisión adecuada.

• Protocolo de pruebas de recepción.

Aplicaciones en celdas y postes

Manitoba Hydro Installation 2005

Instalaciones en poste-cuidados con los cables

Instalaciones en patios de maniobra

Cuidados con los cables antes de instalar terminaciones

Cuidados en el campo

Cuidados con conectores y

herramientas

Cuidados con el cable antes de su

instalación

Cuidados con el tendido del cable

La ventaja del campo

La importancia de la supervisión

CASOS DE FALLASTerminaciones

• Preparación del Cable ( ~ 90%)

• Instalación Incorrecta (~ 6 % )

• Apoyos, Fijación Incorrecta ( < 1% )

• Otras Influencias ( Tormentas ) ( ~ 3% )

• Desconocidas ( < 1% )

FALLAS COMUNES Y

RECOMENDACIONES FINALES

No se retiró semiconductor Medidas erróneas.

No control del campo

FALLAS COMUNES Y

RECOMENDACIONES FINALES

Tubo de control

mal ubicado

Falla en el montaje mismo.

No se cubrió resorte con

cinta de vinilo

Cinta de silicona

mal aplicada

FALLAS COMUNES Y

RECOMENDACIONES FINALES

Mala prensada del conector

FALLAS COMUNES Y

RECOMENDACIONES FINALES

Corrosión del conector

terminal

Corrosión

de la línea

de tierra

Perforación

por aire dentro

de la terminación

La resistencia superficial

se reduce al mojarse

BANDAS SECAS

DESCARGAS

ELECTRICAS

(Generadas en las

Bandas Secas)

(Areas de mayor

Resistencia Superficial

&

Concentración del

Gradiente de Tensión)

Formación de Descargas

FALLAS COMUNES Y

RECOMENDACIONES FINALES

Falla por radio de curvatura menor al

especificado

Corte profundode Cuchillo

Origen de la Fallafue

Corte con CuchilloCuando se retiró la

capa semiconductora

del cable

CapaSemiconductora

del Cable

Tubo de AislaciónExterior

Falla terminación de 69 kV

Pruebas eléctricas después de instalado

• Inspección de recorrido, verificación

secuencias , puestas a tierra, resistencia de

aislamiento

• Media tensión según NTP IEC 60502-2

• Prueba de Vcc vlor de 4 Uo entre conductor y

pantalla. Va ahora como opcional

• Prueba de tensión alterna : U entre fase y tierra por 5

minutos o U servicio 24 horas.

• Alta tensión según IEC 60840

Pruebas eléctricas después de instalado

• Alta tensión según IEC 60840

• Vcc sobre la cubierta del cable

• Vac 72 kV entre conductor y pantalla (tierra) por una

hora

• Alternativamente Uo puede ser aplicado por 24 horas

• Esto aplica para cables nuevos

Conclusiones

• Importante una buena especificación técnica sobre la base de estándares no mezclados

• Cliente debe tener claro el nivel de aislamiento en función del tipo de sistema, lo mismo el apantallamiento metálico

• La corriente térmica de cortocircuito se determinapara un cable específico, tanto cortocircuito entre fases, como fase tierra

• El impulso de la corriente de cortocircuito se calculacon la información brindada por la empresa eléctricaen el punto de instalación.

Conclusiones

• Importancia de una buena fabricación de cable,

accesorios y sus pruebas

• Importancia de un buen equipo de trabajo:

procedimientos, capacitación, herramientas, limpieza,

seguridad y supervisión.

• Cuidados con el cable en obra

• Pruebas en campo se orientan a Vac

• Pruebas con Vcc acuerdo entre cliente e instalador y

en A.T con consulta de fabricante de cable

3333Innovación