FRANCO Comportamiento de Conductores

8/19/2019 FRANCO Comportamiento de Conductores

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COMPORTAMIENTO DE CONDUCTORES ELECTRICOS AISLADOS EN SISTEMAS ELECTRICOS DE BAJA,

MEDIA Y ALTA TENSION

ING. FERNANDO FRANCO ANDRADE

Especialista en Sistemas de Distr ibuc ión deEnergia Eléctr ica

Egresado del Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

MEXICO D.F. JUNIO DE 2012

Numero de registro derecho de autor

03-2012-062214003200-01


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Dedico este sencillo trabajo a lamemoria de mi querida hermana, lamaestra Guadalupe Franco Andrade(Q.E.P.D), quien dedico su vida alcuidado de su familia y esmeradaenseñanza de sus pequeños alumnos.

INTRODUCCION

Los conductores eléctricos son para un sistema de distribución de energíaeléctrica, lo mismo que las venas son para el cuerpo humano, sin ellos no serealizaría la transmisión de la potencia eléctrica. Es necesario conocer como losmismos se comportan en condiciones normales de operación, así como tambiénen condiciones de falla, ya que deben ser adecuados para operarsatisfactor iamente y sin dañarse bajo ambas condiciones de operación.

El trabajo está enfocado principalmente a los siguientes aspectos delcomportamiento de los cables.

a. Comportamiento bajo condiciones de cortocircuito trifásico

b. Comportamiento de las pantallas de los cables de media y alta tensión encondiciones normales de operación y bajo condiciones de falla.

c. Influencia de las pantallas de los cables en la protección contrasobretensiones transitorias en maquinas rotatorias

d. Comportamiento y función del Conductor de Puesta a Tierra de Equipo

En los temas se explican brevemente las características de operación de losconductores y se hace énfasis en el cálculo del calibre de conductores ydimensionamiento de las pantallas.

Con respecto a la protección contra sobretensiones transitor ias de maquinasrotatorias se hace énfasis en la protección de motores de media tensión,definición del método de conexión de las pantalla del cable y si existe lanecesidad de instalar equipo adicional cont ra sobretensiones en el motor.


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C O N T E N I D O

CAPITULO 1

CALCULO POR CORTOCIRCUITO DE CONDUCTORES DE BT, MT Y AT

1. FUNDAMENTOS

1.1 Magnitud y duración de la corriente de cortoci rcuito1.2 Valor de la relación X/R1.3 Decremento de la relación X/R1.4 Temperaturas de operación de los conductores1.5 Corrientes de cortoci rcuito a utilizar en función del disposit ivo de protección

1.6 Tiempo total de librado de la falla1.7 Información de fabricantes de fusibles limitadores de corriente de MT1.8 Información de fabricantes de fusibles limitadores de corriente de BT1.9 Información de fabricantes de interruptores limi tadores de corriente de BT.2.0 Ejemplo de aplicación.3.0 Referencias

CAPITULO 2

FUNCIONAMIENTO DE LA CUBIERTA METALICA Y LA PANTALLA METALICAEN CONDUCTORES DE MT Y AT

1. FUNDAMENTOS

1.1 Criterio de selección y aplicación1.1.1 Conductividad1.1.2 Condiciones.1.1.3 Condiciones ambientales.1.1.4 Corrosión1.1.5 Instalación subterránea

2. CONSIDERACIONES ELECTRICAS

2.1 Consideraciones eléctricas

2.2 Corrientes de falla.2.3 Consideraciones de voltaje2.4 Técnicas y disposit ivos de empalme2.5 Conexión a tierra de las pantallas.2.6 Perdidas en la pantalla2.7 Barreras aislantes en la pantalla2.8 Conductores de media y alta tensión en canalización subterránea odirectamente enterrados2.9 Diferentes tipos de conductores de media tensión con pantalla


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3. METODOS DE PUESTA A TIERRA DE PANTALLAS Y CUBIERTASMETALICAS.

3.1 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en un punto3.2 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en dos puntos

3.3 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en formacruzada.

4. CALCULO DE CORRIENTE CIRCULANTE Y PERDIDAS EN PANTALLASMETALICAS QUE SE CONECTAN A TIERRA EN SUS EXTREMOS.

4.1 Calculo de las perdidas en la pantalla4.2 Calculo de la corriente en las pantallas.

5. VOLTAJE INDUCIDO EN PANTALLAS CUANDO SE CONECTAN A TIERRA ENUN SOLO PUNTO

5.1 Resis tencia y Reactancia mutua de la pantalla5.2 Cables en condui t5.3 Longitud máxima de conductores con la pantalla puesta a tierra en un solopunto

6. CAPACIDAD DE CONDUCCION DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ENPANTALLAS

6.1 Análisis de la capacidad de conducción de la corriente de falla a tierra.6.2 Verificación del funcionamiento de la pantalla por corto circuito Método ICEAP-45-4826.3 Método alternativo 16.4 Método alternativo 2

7. PANTALLAS Y CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPO

8. TABLAS DEL NEC-2008 QUE SON APLICABLES PARA CONDUCTORES DEMEDIA TENSIÓN, CUYA PANTALLA SE CONECTA A TIERRA EN UN SOLOPUNTO.

9. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

9.1 Ejemplo de aplicación numero 19.2 Ejemplo de aplicación numero 29.3 Ejemplo de aplicación numero 39.4 Ejemplo de aplicación numero 4

10 REFERENCIAS

CAPITULO 3

INFLUENCIA DE LAS PANTALLAS EN LA PROTECCION CONTRASOBRETENSIONES TRANSITORIAS EN LAS MAQUINAS ROTATORIAS

1. FUNDAMENTOS


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1.1 Efecto de las pantallas y su modo de puesta a tierra en la protección demaquinas rotatorias contra sobretensiones transitorias.1.2 Pruebas de aguante de sobretensiones1.3 Tablas de referencia de niveles de sobretensión transitoria y constantes detiempo para definir la necesidad de instalación de protección en un motor contrasobretensiones transitorias

2. EJEMPLOS DE APLICACION

2.1 Ejemplo No. 1 de aplicación del método de cálculo por medio de tablas.2.2 Ejemplo No. 2 de aplicación del método de cálculo por medio de tablas.

3. REFERENCIAS

CAPITULO 4

DIMENSIONAMIENTO DEL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPO

1. FUNDAMENTOS

1.1 Conductor de puesta a tierra de equipo EGC1.2 Trayector ia efectiva de la corriente de falla a tierra.1.3 Trayector ia de alta impedancia de la corriente de falla a tierra.1.4 Tipos de conductores de puesta a tierra de equipos /ECGs) circuitos decorriente alterna menores de 1000 Volts.1.5 Tipos de conductores de puesta a tierra de equipos /ECGs), circuitos decorriente alterna mayores de 1000 V1.6 Dimensionamiento de conductores de puesta a tierra de equipo1.7 Incremento en la dimensión del conductor de puesta a tierra de equipo

1.8 Conductores de puesta a tierra de equipo EGC en paralelo.

2. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

2.1 Ejemplo de aplicación numero 12.2 Ejemplo de aplicación numero 22.3 Ejemplo de aplicación numero 32.4 Ejemplo de aplicación numero 42.5 Ejemplo de aplicación numero 52.6 Ejemplo de aplicación numero 62.7 Ejemplo de aplicación numero 72.8 Ejemplo de aplicación numero 8

2.9 Ejemplo de aplicación numero 92.10 Ejemplo de aplicación numero 102.11 Ejemplo de aplicación numero 112.12 Ejemplo de aplicación numero 12

3.0 TUBERIA CONDUIT COMO CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA

3.1 Tubería conduit como conductor de puesta a tierra de equipo (EGC)3.2 Investigación de la puesta a tierra del Instituto de Investigación de Georgia.3.3 Resumen de puntos relevantes en la investigación del Tecnológico deGeorgia.3.4 Tablas de aplicación

4. REFERENCIAS


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CALCULO POR CORTOCIRCUITO DE CONDUCTORES DE BAJA, MEDIA Y ALTATENSION.

1. FUNDAMENTOS.

1.1 Magnitud y duración de la corriente de cortoci rcuito

La magnitud y duración de la corriente de cortocircuito a la que estarán sujetos losconductores están en función de la relación X/R del sistema, lo cual su vez redundaen la duración del decremento de la corriente de cortocircuito a mayor relación X/R eldecremento será más lento. (Ver figura 9-1)

1.2 Valor de la relación X/R

El valor de la relación X/R aumenta conforme aumenta el voltaje nominal del sistema ya la inversa los valores más bajos de la relación X/R se presentan en el sistema de

baja tensión.1.3 Decremento de la relación X/R

En las plantas donde se tiene generación en media tensión, o en las centrales deenergía se presentan los valores mayores de relación X/R en todos los niveles detensión, también en sistemas de baja tensión donde se tiene generación local ytransformadores de potencia tipo seco.

1.4 Temperaturas de operación de los cables.


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Los cables tienen temperaturas nominales de operación continua la cual limita laampacidad del conductor y temperaturas nominales de operación en condición decortocircuito la cual limita la cantidad de corriente de falla que pueden conducir duranteun periodo de tiempo definido. La tabla 9-2 enlista las temperaturas de operacióncontinua y de cortocircuito de cables aislados.

La tabla 12-3 de IEEE 141-1993 define en forma más detallada la temperatura deoperación continua y de cortocircuito de cables aislados.


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1.5 Corrientes de cortoci rcuito a utilizar en función del disposit ivo de protección


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5. Para determinar por cortocircuito el calibre de un conductor aislado se debe tener encuenta lo siguiente:

a. Conocer los valores máximos de las corrientes de cortocircuitob. Conocer la máxima temperatura del conductor en falla que no dañara su

aislamiento.c. Conocer el tipo de dispositivo de protección del circuito.d. Conocer el tiempo máximo que la falla puede existir y la corriente de falla que

puede fluir.

La tabla siguiente muestra la corriente máxima que se debe utilizar en el cálculo delcalibre de conductores por cortocircuito, en función del dispositivo de protección delcircuito.

DISPOSITIVO DE PROTECCION DELCONDUCTOR

CORRIENTE MAXIMA A UTILIZAR ENEL CALCULO DEL CALIBRE DEL

CONDUCTORInterruptores de potencia en media

tensión de acuerdo a ANSI C37.06operados para disparo por relevadorinstantáneo (ANSI 50)

Corriente subtransitoria interruptiva (red

de 1.5 a 4 ciclos), simétrica, rms. Parainterruptores de 3 y 5 ciclos de tiempototal de apertura para obtener el calibremás seguro.Corriente subtransitoria de la red de ½ciclo para obtener el calibre mínimo.

Interruptores de potencia en mediatensión de acuerdo a ANSI C37.06operados para disparo por relevador conretraso de tiempo (ANSI 51) de 0.2segundos (12 ciclos) ò mas.

Corriente ya decrementada, valorsimétrico rms, al tiempo total de libradode la falla (mínimo 15 ciclos ò mas).

Fusible de media y baja tensión, no

limitador de corriente

Corriente subtransitoria, asimétrica, rms,

red de ½ ciclo.Interruptores en caja moldeada, de bajatensión de disparo instantáneo, nolimitador de corriente.

Corriente subtransitoria, asimétrica, rms.Red de ½ ciclo.

Fusible de media y baja tensión, limitadorde corriente

Corriente let-through rms en el rango delimitación de corriente del fusible, valorrms asimétrico, red de ½ ciclo. Se obtienede la curvas del fabricante del fusible.

Interruptores de baja tensión de disparoinstantáneo, limitador de corriente.

Corriente let-through rms en el rango delimitación de corriente del interruptor,valor rms asimétrico, red de ½ ciclo. Seobtiene de la curvas del fabricante delinterruptor.

Interruptor de potencia en baja tensión,tipo electromagnético de acuerdo a ANSIC37.13 operado para disparo porcortocircuito por medio de su unidadinstantánea.

Corriente subtransitoria, red de ½ ciclo,simétrica, rms.

Interruptor de potencia en baja tensión,tipo electromagnético de acuerdo a ANSIC37.13 operado para disparo porcortocircuito por medio de su unidad detiempo corto.

Corriente transitoria, red de 10 a 30ciclos, simétrica rms.


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1.6 Tiempo total de librado de la falla.

Interruptor de media tensión operado por relevador.- El tiempo total de librado de lafalla es igual a la suma de (a) el tiempo de operación del relevador de sobrecorriente,(b) el tiempo de operación del relevador auxiliar (si se usa) y (c) el tiempo deinterrupción del interruptor.

Interruptor con disparo de acción directa:- El tiempo total de librado de la falla es igualal tiempo de interrupción del interruptor.

Fusibles.- El tiempo total de librado de la falla es igual al a la suma de (a) el tiempo defundición mas (b) el tiempo de arqueo.

La grafica de la figura 9-3 permite determinar el calibre adecuado para conductores decobre aislados, cuya temperatura inicial es de 75ºC (operación continua) y sutemperatura final es de 200ºC (operación en cortocircuito). Para otras temperaturas sedeben aplicar los factores de corrección de la figura 9-4.

Nótese que la grafica permite determinar el calibre de los conductores en función de lamagnitud de la corriente de cortocircuito y el tiempo de librado de la falla de acuerdo al

dispositivo de protección de sobrecorriente instalado en el circuito. En el eje deordenadas de la derecha se muestran los tiempos de librado de las falla de acuerdo a


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los dispositivos de sobrecorriente.(para los interruptores de media tensión de 8 y 5ciclos, los tiempos de librado de la falla se muestran con operación por relevadorinstantáneo)

La grafica de la figura 9-3 permite determinar el calibre adecuado para conductores de

aluminio aislados, cuya temperatura inicial es de 75ºC (operación continua) y sutemperatura final es de 200ºC (operación en cortocircuito). Para otras temperaturas sedeben aplicar los factores de corrección de la figura 9-4.

Nótese que la grafica permite determinar el calibre de los conductores en función de lamagnitud de la corriente de cortocircuito y el tiempo de librado de la falla de acuerdo aldispositivo de protección de sobrecorriente instalado en el circuito. En el eje deordenadas de la derecha se muestran los tiempos de librado de las falla de acuerdo alos dispositivos de sobrecorriente.(para los interruptores de media tensión de 8 y 5ciclos, los tiempos de librado de la falla se muestran con operación por relevadorinstantáneo)


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En la actualidad se fabrican interruptores de media tensión con tiempos totales deapertura de 3, 5 y 8 ciclos.


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La tabla 9-3b aplica para interruptores de potencia (Electromagnéticos, Termomagnéticos en caja moldeada o de caja aislada) en baja tensión, equipados con

unidad de disparo electrónica LSIG,

La tabla 9-3c aplica para interruptores termomagneticos en caja moldeada, nolimitadores de corriente y limitadores de corriente.

La tabla 9-3d aplica para fusibles de alta y media tensión tipo limitador de corriente.


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La tabla 9-3e aplica para fusibles de baja tensión, tipo limitador de corriente.

Grafica típica para fusibles limitadores de corriente de media y alta tensión, que seutiliza para obtener la corriente let-though y la corriente pico instantánea let.through.

Definiciones.


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Definiciones.

Corriente pico let-Through (Ip):- Es la corriente instantánea máxima que fluye através de un fusible durante la interrupción en su rango de limitación de corriente.

Limitación de corriente.- Un fusible proporciona limitación de corriente cuando eleslabón se funde bajo condiciones de cortocircuito para interrumpir el flujo de corrienteantes de que se alcance el pico del primer medio ciclo de la corriente prospectiva.

Fusible limitador de corriente.- Es aquel que cumple con las tres condicionessiguientes; 1) Interrumpe todas las sobrecorrientes disponibles dentro de su capacidadinterruptiva;2) Dentro de su rango de limitación de corriente, limita el tiempo de libradoa voltaje nominal a un intervalo igual a, o menor que, la duración del primer loop decorriente simétrica: y 3) limita la corriente pico let-through a un valor menor que lacorriente pico disponible.

Rango de limitación de corriente,- Es el rango de corriente disponibles desde lacorriente threshold (umbral mínimo) hasta la corriente interruptiva nominal del fusible.

Corriente threshold.- Es la corriente disponible simétrica rms mínima del rango de

limitación de corriente, donde la fundición del elemento fusible ocurre aaproximadamente 90 grados de la onda de corriente simétrica, y el tiempo total delibrado es menor de ½ ciclo.


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1.7 Información de fabricantes de fusibles limitadores de corriente de MT

A continuación se muestran graficas para obtener la corriente let-through de fusibleslimitadores de corriente de media tensión. Las graficas corresponden al proveedorEDISON, pero existen diferentes proveedores en el mercado y cada uno tiene suspropias curvas, y el ingeniero debe utilizar las curvas del fabricante seleccionado en elproyecto que está elaborando.


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1.8 Información de fabricantes de fusibles limitadores de corriente de BT

A continuación se muestran graficas para obtener la corriente let-through de fusibleslimitadores de corriente de baja tensión. Las graficas corresponden al proveedorBussman, pero existen diferentes proveedores en el mercado y cada uno tiene suspropias curvas, y el ingeniero debe utilizar las curvas del fabricante seleccionado en elproyecto que está elaborando.


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1.9 Información de fabricantes de interruptores limi tadores de corriente de BT.

A continuación se muestran graficas para obtener la corriente let-through deinterruptores en caja moldeada limitadores de corriente de baja tensión. Las graficascorresponden al proveedor Siemens, pero existen diferentes proveedores en elmercado y cada uno tiene sus propias curvas, y el ingeniero debe utilizar las curvasdel fabricante seleccionado en el proyecto que está elaborando.


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2.0 Ejemplo de aplicación.

En el siguiente diagrama unifilar se determina el calibre de los cables por cortocircuitoaplicando la información contenida en este capitulo.


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Calculo del alimentador 1

El dispositivo de protección es un fusible de expulsión, no limitador de corriente de 38KV nominales, 250 E.

Corriente de cortocircuito aplicable

De acuerdo a la tabla del inciso1.5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito que sedebe aplicar es la Asimétrica de la red de ½ ciclo, la cual es de 33 KA asimétricos,

Material de conductor y Aislamiento del conductor .

El conductor es de cobre, El aislamiento del cable es termoplástico, temperaturas deoperación, 105/140/250ºC.

Tiempo de librado de la falla.

De acuerdo a la tabla 9.3e de este capítulo es 1.0 ciclo a máxima corriente, la cual esde 50 KA asimétricos, por lo que el tiempo será ligeramente menor de 1 ciclo, pero pormargen de seguridad, consideraremos un ciclo (0.0166 seg).

Determinación del calibre

Aplicando la grafica 9-2 de este capítulo, que es para conductores de cobre, aisladoscon temperaturas de operación 105º/250ºC).

Como el cable que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para un a temperatura inicial

de 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de K t es de0.975

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de 33 KA asimétricos x 0.975 = 32 KA.

Con el valor de 32 KA a un tiempo de 0.0166 segundos, se entra a la grafica de lafigura 9-2 en este capítulo y se obtiene que el calibre mínimo a usar es el 4 AWG.

Si se desea dejar un margen de seguridad adicional se puede instalar 2 AWG, eso yaqueda a criterio del ingeniero diseñador y de la disponibilidad de recursos económicos.


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El dispositivo de protección es un relevador de sobrecorriente ANSI 51, de tiempoinverso, en el cual se ha deshabilitado la función instantánea


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5 de este capítulo, de corrientes de cortocircuitoaplicables en el cálculo alimentadores , la corriente de cortocircuito que se debeaplicar es la corriente simétrica rms ya decrementada al tiempo de inicio de aperturade los contactos del interruptor, en este caso se está fijando dicho tiempo en 15 ciclos(0.25 seg) y la magnitud de la corriente decrementada a 15 ciclos es de 23 KA simrms.


El conductor es de cobre, 5 KV, El aislamiento del cable es termoplástico EPR,temperaturas de operación, 105/140/250ºC.


El tiempo total de librado de la falla será igual a la suma de los 15 ciclos quetranscurren para el inicio de apertura de los contactos mas 3 ciclos de tiempo deapertura del interruptor, tiempo total igual a 18 ciclos (0.30 seg) (existen en elmercado interruptores de 3, 5, y 8 ciclos de tiempo nominal de apertura)


Aplicando la grafica 9-2, que es para conductores de cobre, aislados con temperaturasde operación 105/250ºC).

Como el conductor que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para un a temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de Kt es de0.975

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de 33 KA asimétricos x 0.975 = 32 KA.

Con el valor de 23 KA a un tiempo de 0.30 segundos, se entra a la grafica de la figura9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 4/0 AWG.


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El dispositivo de protección es un relevador de sobrecorriente ANSI 51 e instantáneo

ANSI 50, la función instantánea se ajusta para la protección por cortocircuito del cable


De acuerdo a la tabla del inciso 1,5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito quese debe aplicar es la corriente simétrica rms de la red de 5 ciclos, la cual es de 24 KA




El tiempo total de librado de la falla será de acuerdo a la tabla 9-3c de este capítulo,para interruptores de 3 ciclos de tiempo nominal de apertura, con relevadorinstantáneo con retraso de ½ ciclo, el tiempo total de librado de la falla es 3.5 ciclos.


Aplicando la grafica 9-2 de este capítulo, que es para conductores de cobre, aisladoscon temperaturas de operación 105ºC/250ºC).

Como el conductor que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para un a temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de K t es de0.975

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de 24 KA asimétricos x 0.975 = 23.4 KA.

Con el valor de 23.4 KA a un tiempo de 3.5 ciclos (0.058 seg), se entra a la grafica dela figura 9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 1/0 AWG.


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El dispositivo de protección es un fusible limitador de corriente para motores R-Rated,2R.


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito quese debe aplicar es la corriente asimétrica rms de la red de 1/2 ciclos, la cual es de 36KA asimétricos rms




El tiempo total de librado de la falla será de acuerdo a la tabla 9-3d para fusibleslimitadores de corriente de 0.25 ciclos.


Primeramente se determina la corriente let-trough del fusible 2R en base a la grafica“R-Rated médium voltage fuses”, como esta grafica de fabricante, está basada enamperes simétricos rms tomaremos la corriente simétrica rms a ½ ciclo que es de 25KA , de donde se obtiene que la corriente let-though es de 3 KA simétricos rms y por

lo tanto lo KA asimétricos son 4.8 KA asimétricos rmsAplicando la grafica 9-2, que es para conductores de cobre, aislados con temperaturasde operación 105ºC/250ºC).

Como el conductor que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para un a temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de Kt es de0.975

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de 3 KA asimétricos x 0.975 = 2.92 KA.

Con el valor de 2.92 KA a un tiempo de 0.25 ciclos (0.004 seg), se entra a la grafica dela figura 9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 10 AWG. Como dicho calibreno es comercial se debe utilizar calibre 6 AWG que es el mínimo comercial


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El dispositivo de protección es un fusible limitador de corriente para motores R-Rated,

9R.


De acuerdo a la tabla del inciso1.5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito que sedebe aplicar es la corriente asimétrica rms de la red de 1/2 ciclos, la cual es de 36 KAasimétricos rms

Material de conductor y Ais lamiento del conductor.





Primeramente se determina la corriente let-trough del fusible 9R en base a la grafica“R-Rated médium voltage fuses”, como esta grafica de fabricante, está basada enamperes simétricos rms tomaremos la corriente simétrica rms a ½ ciclo que es de 25

KA, de donde se obtiene que la corriente let-though es de 8 KA simétricos rms y por lotanto lo KA asimétricos son 12.8 KA asimétricos rms

Aplicando la grafica 9-2, que es para conductores de cobre, aislados con temperaturasde operación 105ºC/250ºC).

Como el cable que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para un a temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de Kt es de0.975

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de 12.8 KA asimétricos x 0.975 = 12.48 KA.

Con el valor de 12.48 KA a un tiempo de 0.25 ciclos (0.004 seg), se entra a la graficade la figura 9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 10 AWG. Como dichocalibre no es comercial se debe utilizar calibre 6 AWG que es el mínimo comercial


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El dispositivo de protección es un fusible limitador de corriente para motores R-Rated,18R


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito quese debe aplicar es la corriente asimétrica rms de la red de 1/2 ciclos, la cual es de 36KA asimétricos rms

Material de conductor y Aislamiento del cable.





Primeramente se determina la corriente let-trough del fusible 18R en base a la grafica“R-Rated médium voltage fuses”, como esta grafica de fabricante, está basada enamperes simétricos rms tomaremos la corriente simétrica rms a ½ ciclo que es de 25KA , de donde se obtiene que la corriente let-though es de 14 KA simétricos rms y por

lo tanto lo KA asimétricos son 22.4 KA asimétricos rmsAplicando la grafica 9-2, que es para conductores de cobre, aislados con temperaturasde operación 105ºC/250ºC).

Como el cable que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para una temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de Kt es de0.975


Con el valor de 21.84 KA a un tiempo de 0.25 ciclos (0.004 seg), se entra a la graficade la figura 9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 6 AWG.


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El dispositivo de protección es un fusible limitador de corriente para alimentadores engeneral E-Rated, 125E


De acuerdo a la tabla del inciso 1,5 de este capítulo, la corriente de cortocircuito quese debe aplicar es la corriente asimétrica rms de la red de 1/2 ciclos, la cual es de 36KA asimétricos rms






Primeramente se determina la corriente let-trough del fusible 125E en base a la grafica“5.5 KV E-Rated médium voltage fuses”, como esta grafica de fabricante, está basadaen amperes simétricos rms tomaremos la corriente simétrica rms a ½ ciclo que es de25 KA , de donde se obtiene que la corriente let-through es de 7 KA simétricos rms y

por lo tanto lo KA asimétricos son 11.2 KA asimétricos rmsAplicando la grafica 9-2, que es para conductores de cobre, aislados con temperaturasde operación 105ºC/250ºC).

Como el cable que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(105/250ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para una temperatura inicialde 105ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 250ºC, el valor de K t es de0.975


Con el valor de 10.92 KA a un tiempo de 0.25 ciclos (0.004 seg), se entra a la graficade la figura 9-2 y se obtiene que el calibre mínimo a usar es 10 AWG, como no escomercial se debe utilizar calibre 6 AWG que es el mínimo comercial.


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El dispositivo de protección es un interruptor de potencia en baja tensión, conocidocomo electromagnético, equipado con unidad de disparo electrónica funciones LSI.


El interruptor que protege este alimentador es un derivado, de un tablero que tieneinterruptor principal con unidad de disparo LSI. Además aguas abajo del interruptorderivado, se tienen en serie otros dos interruptores electromagnéticos con unidad LSI.Es práctica común de coordinación que en estos ramales, en el interruptor principal sedeshabilite la función instantánea, y en los interruptores que se encuentran aguasabajo, se proteja contra cortocircuito por medio de las funciones de tiempo corto.Siendo los tiempos comúnmente usados 0.5, 0.33 y 0.18 seg.

Entonces en el diagrama unifilar del ejemplo se tendrán los siguientes tiempo dedisparo:

a. Interruptor principal 0.5 seg.b. Interruptor derivado A, 0.33 segc. Interruptor derivado B, 0.18 segd. Interruptor derivado C, instantáneo habilitado.

Entonces como el interruptor derivado A, es el que protege el alimentador bajo calculo,el tiempo de duración de la falla de cortocircuito es de 0.33 seg (20 ciclos)

Entonces el estudio de cortocircuito se debe tomar la corriente de cortocircuito de lared de 30 ciclos, aunque hay una diferencia de 10 ciclos, la magnitud de corriente esprácticamente la misma.

La corriente de cortocircuito disponible en el bus es de 56 KA sim rms a 30 ciclos.


El conductor es de cobre, 0.60 KV, El aislamiento del cable es termoplástico THW,temperaturas de operación, 75/150ºC.


El tiempo total de librado de la falla será de acuerdo a expuesto 0.33 seg.



Como el cable que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(75/150ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica 9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para una temperatura inicialde 75ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 150ºC, el valor de K t es de 1.20

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de simétricos 56 x 1.20 = 67 KA.

Con el valor de 67 KA a un tiempo de 0.33 seg, se entra a la grafica de la figura 9-2 yse obtiene que el calibre mínimo a usar sea 450 KCM-AWG


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El dispositivo de protección es un interruptor de potencia en baja tensión, conocidocomo electromagnético, equipado con unidad de disparo electrónica funciones LSI.


El interruptor que protege el alimentador bajo cálculo es el denominado C y por loexplicado anteriormente, se tiene su función instantánea habilitada.

a. Interruptor principal 0.5 seg.b. Interruptor derivado A, 0.33 segc. Interruptor derivado B, 0.18 segd. Interruptor derivado C, instantáneo habilitado.

Entonces el estudio de cortocircuito se debe tomar la corriente de cortocircuitosimétrica rms de la red de 1/2 ciclo..

La corriente de cortocircuito disponible en el bus es de 59 KA sim rms a 1/2 ciclo.




De acuerdo a la tabla 9-3c para un interruptor de marco 800 A, el tiempo de librado es1,5 ciclos (0.025 seg)





Con el valor de 71 KA a un tiempo de 0.025 seg, se entra a la grafica de la figura 9-2 yse obtiene que el calibre mínimo a usar sea 2/0 AWG


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El dispositivo de protección es un interruptor de termomagnetico en caja moldeada demarco 100 A, con unidad de disparo térmica y magnética de tiempo largo einstantáneo.

Debido a la corriente simétrica rms a ½ ciclo disponible en el bus (59 KA sim rms), lacapacidad interruptiva del interruptor es 65 KA sim rms, el cual no es limitador decorriente.


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5 de este capítulo, la corriente a emplear en elcálculo es la subtransitoria asimétrica de la red de ½ ciclo, la cual es de 75 KAasimétricos rms

Material de conductor y Aislamiento del cable.El conductor es de cobre, 0.60 KV, El aislamiento del cable es termoplástico THW,temperaturas de operación, 75/150ºC.


De acuerdo a la tabla 9-3c para un interruptor de marco 100 A, el tiempo máximo delibrado es 1 ciclo (0.016 seg)





Con el valor de 90 KA a un tiempo de 0.016 seg, se entra a la grafica de la figura 9-2 yse obtiene que el calibre mínimo a usar es 3/0 AWG

Para motores pequeños, no se justifica instalar este calibre por lo siguiente:

a. Sus terminales no están preparadas para recibir este calibre.b. Su caja de terminales no tiene espacio suficiente para alojar cables de este

calibre.c. Se eleva el costo de la instalación.

Por las razones anteriores, se ha mantenido durante muchos años la práctica deingeniería, de instalar para motores de baja potencia alimentadores calculados solopor ampacidad y caída de tensión, considerando que en caso de que haya uncortocircuito trifásico en un alimentador de estos motores y se llegase a dañar elconductor, es preferible sustituirlo, esa consideración disminuye el costo de lasinstalaciones de baja tensión.


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El dispositivo de protección es un interruptor de termomagnetico en caja moldeada demarco 100 A, con unidad de disparo térmica y magnética de tiempo largo einstantáneo.

Como se vio en el cálculo del alimentador 10, el interruptor termomagnetico debe teneruna capacidad interruptiva de 65 KA sim rms. Si es del tipo no limitador de corriente ycon este interruptor se tiene que el calibre minino por cortocircuito es 3/0 AWG.

En el alimentador 11, se considera el caso en el que se desea reducir la corriente decortocircuito aguas abajo del interruptor para reducir calibre de cable por cortocircuito ymenor daño al motor en caso de una falla en sus devanados. Entonces se decideinstalar interruptor limitador de corriente (sin fusibles) tipo CED6 de Siemens, que esde marco 100A, con una capacidad interruptiva de 200 KA a 480 V.


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5, la corriente a emplear en el cálculo es lasubtransitoria asimétrica de la red de ½ ciclo, la cual es de 75 KA asimétricos rms

La corriente de cortocircuito simétrica en este bus es de 59 KA simétricos rms y lanecesitamos porque la grafica let-through del interruptor CDE6 está basada enamperes simétricos.


El conductor es de cobre, 0.60 KV, El aislamiento del cable es termoplástico THW,

temperaturas de operación, 75/150ºC.


De acuerdo a la tabla 9-3c para un interruptor de marco 100 A limitador de corriente, eltiempo máximo de librado es 1/2 ciclo (0.008 seg)


Entrando a la grafica del interruptor CED6 tenemos que para una corriente disponiblede 59 KA sim rms, la corriente let-through es de 15 KA simétricos rms., lo cualequivale a 19 KA asimétricos rms.




Con el valor de 23 KA a un tiempo de 0.008 seg, se entra a la grafica de la figura 9-2 y

se obtiene que el calibre mínimo a usar sea 6 AWG


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Para motores pequeños, este calibre ya se puede manejar en las cajas de terminales yes económico. Sin embargo los interruptores limitadores de corriente son un 40% máscaros que los de capacidad 65 KA sim rms.


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El dispositivo de protección es un fusible de doble elemento, tipo limitador de corriente,adecuado para la protección de motores, alimentador desde CCMS con alta corrientede falla disponible.

El fusible es tipo LPS-RK-SP de Bussman de 30 A


De acuerdo a la tabla del inciso 1.5 de este capítulo, la corriente a emplear en elcálculo es la subtransitoria asimétrica de la red de ½ ciclo, la cual es de 75 KAasimétricos rms

La corriente de cortocircuito simétrica en este bus es de 59 KA simétricos rms y lanecesitamos porque la grafica let-through del fusible LPS-RK-SP está basada enamperes simétricos.




De acuerdo a la tabla 9-3e para un fusible de baja tensión limitador de corriente, eltiempo máximo de librado es 0.25 ciclo (0.004 seg)


Entrando a la grafica del fusible LPS-RK-SP tenemos que para una corrientedisponible de 59 KA sim rms, la corriente let-through es de 15 KA simétricos rms., locual equivale a 2.4 KA simétricos rms.


Como el conductor que estamos utilizando tiene diferentes temperaturas de operación(75/150ºC) es necesario aplicar factor de corrección, el cual se obtiene de la grafica 9-4, y se aplican a la corriente de cortocircuito disponible. Para una temperatura inicialde 75ºC y una temperatura máxima de cortocircuito de 150ºC, el valor de K t es de 1.20

Por lo tanto la corriente de falla virtual, es de simétricos 2.4 x 1.20 = 2.88 KA.

Con el valor de 2.88 KA a un tiempo de 0.004 seg, se entra a la grafica de la figura 9-2y se obtiene que el calibre mínimo a usar sea menor del calibre 10 AWG


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CAPITULO 2

FUNCIONAMIENTO DE LA CUBIERTA METALICA Y LA PANTALLA METALICA

EN CONDUCTORES DE MEDIA Y ALTA TENSION

1. FUNDAMENTOS

Si no se toman en cuenta los efectos térmicos que se generan en losconductores durante el tiempo que están expuestos a las corrientes decortocircuito disponibles en el sistema, puede ocurrir un daño permanente en elaislamiento del conductor y en la pantalla. Los esfuerzos mecánicos que sonsuperiores a su capacidad de diseño pueden provocar un daño físico. Enalgunos casos, el deterioro térmico excesivo de los cables puede provocar laignición de materiales que se encuentren a su alrededor. Refiérase a ICEA

P32.382-1994 la cual cubre la capacidad de cortocircuito de los conductores.

Las ecuaciones para el cálculo de la capacidad de cortocircuito requerida de lapantalla se encuentran en ICEA P-45-482-1994. Sin embargo este método notoma en cuenta la disipación de calor. La disipación de calor es un factorimportante que puede aumentar la ampacidad de la pantalla en un 25% òmas.

Refiérase a la tabla 12-6 del libro rojo IEEE 141-1993 para determinar loscalibres mínimos de conductores aislados y temperaturas máximas bajocondición cortocircuito.

El NEC en el articulo 310-6, requiere que todos los conductores aislados queoperen a una tensión nominal mayor de 2000 Volts tengan pantalla. Hay unaexcepción para cables que sean “listados” por un laboratorio de pruebacalificado, con una tensión nominal de hasta 8000 volts, siempre y cuando secumplan ciertas condiciones.

El objetivo de la pantalla en un cable de potencia eléctrico es el de confinar elcampo eléctrico del cable en el aislamiento que envuelve al conductor. Esto selleva a cabo, con capas conductoras ò semiconductoras, ò mas comúnmenteambas, las cuales están en intimo contacto. o unidas a las superficies masinterior y mas exterior del aislamiento. En otras palabras la pantalla masexterior confina el campo eléctrico al espacio entre el conductor y la pantalla

sobre el aislamiento, la siguiente figura 12-3 de IEEE 141-1993 representa lodescrito anteriormente


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:

La capa mas interior libera al conductor de esfuerzos en o cerca del potencialdel conductor. La pantalla mas exterior, está hecha de materiales

semiconductores y componentes metálicos, y está diseñada paraconduc ir la corriente de carga capacitiva y, en la mayoría de los casos lascorr ientes de falla de bajo potencial a tierra. La conductividad de la pantallaestá en función la aérea de su sección transversal y la resistividad de las cintasmetálicas o hilos empleados en conjunción con la capa semiconductora.

La pantalla metálica está disponible en formas diferentes, pero la más comúnes la que se construye con cintas de cobre, con un espesor de 0.076 a 0.127mm (3 a 5 mils), que se aplica helicoidalmente sobre el aislamiento.

Una modificación de la pantalla de cintas consiste de una cinta de cobrecorrugada que se aplica longitudinalmente sobre la pantalla semiconductora.

Esto permite el uso pleno de la de la cinta como un conductor de corriente, y escapaz de conducir una corriente de falla mayor que una pantalla de cinta decobre aplicada helicoidalmente del mismo espesor.

Otro tipo de pantalla es la construida a base de hilos de cobre, los cuales seaplican helicoidalmente sobre el aislamiento. Típicamente, los calibresempleados son 14 AWG y mayores. Cuando se usan hilos de calibre máspequeños puede ser que la pantalla no tenga la capacidad de conducir lacorriente de falla como aquella que se tiene con las cintas de cobre.

1.1 Criterio de selección y aplicación.

1.1.1 Conductividad.

En los cables de potencia se pueden requerir ciertos niveles de conductividadde las pantallas, dependiendo de las condiciones de instalación y lascaracterísticas del sistema eléctrico. Algunas de las características del sistemaque deben de considerarse son;(a) El funcionamiento de los dispositivos desobrecorriente, (b) los n iveles requeridos de corriente de falla, (c) la formaen la que el sistema esta puesto a tierra, (d) los niveles deseados deprotección electrostática y (e) la incidencia de descargas atmosféricas. Eltipo de pantalla metálica seleccionada, su espesor o diámetro, y lascaracterísticas de operación como son la forma de aplicación de la pantalla alcable (Por ejemplo helicoidal contra longitudinal), todos son factores quedeterminan el nivel deseado de conductividad.


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1.1.2 Condiciones.

Por cualquiera de los factores siguientes se puede requerir el uso de pantallametálica en el cable:a. Seguridad del personal;b. Cables monopolares en lugares húmedos:c. Cables directamente enterrados o en conduit inundados;d. La superficie del cable puede acumular cantidades excesivas de materiales

conductivos como sales, negro de humo y similares;e. Conexiones a líneas aéreas;f. Transición desde un ambiente conductivo hasta un ambiente no conductivo

tal como desde terreno húmedo a terreno seco;g. Terreno seco, como en el desierto;h. Exposición a niveles adversos de interferencia electrostática o

electromagnética:i. El cable necesita protección contra descargas atmosféricas o sobretensiones

inducidas;

j. Se requiere protección contra elevación de voltaje, yk. Accionamientos de corriente alterna que operen en base a PWM e IGBT.

1.1.3 Condiciones ambientales.

Hay consideraciones ambientales que son importantes para la operación ypueden tener un efecto directo o indirecto sobre la pantalla. Una de lasconsideraciones clave es la temperatura ambiente y su efecto en lacapacidad de conducción de corriente. Una segunda consideración es lalocalización, por ejemplo, interior o exterior, o enterrados , los tres mediostienen sus características térmicas específicas, que afectan la ampacidad delcable y los requerimientos de la pantalla. Las consideraciones ambientales

específicas que afectan a la pantalla se indican en “corrosión” e “instalaciónsubterránea”

1.1.4 Corrosión

La posibilidad de corrosión de la pantalla necesita considerarse debido a quecualquier tipo de corrosión que disminuya el espesor o el ancho de la pantallametálica pueden tener un efecto adverso en el funcionamiento de la misma. Enparticular, la perdida de continuidad puede dañar la habilidad de la pantallapara conducir sobretensiones, fallas, o corrientes debidas a descargasatmosféricas. El adelgazamiento o perforación de la pantalla puede afectartambién su habilidad para conducir transitorios así como también dañar su

habilidad para proporcionar protección electrostática.

1.1.5 Instalación subterránea

Los c ircui tos que operan a 2001 volts y mayores necesitan tener pantallaspara todos los lugares que están continuamente húmedos o bien enlugares que están en forma alternada secos y húmedos . Si los cablespasan de una área seca a una área húmeda, se producirá un abrupto cambioen los esfuerzos de voltaje. El uso de la pantalla puede ayudar a controlarestos esfuerzos evitando así la degradación del aislamiento del cable. Parasistemas directamente enterrados, las pantallas o cubiertas de cables armadosproporciona una trayectoria exterior de tierra para seguridad del personal encaso de el cable sea dañado en una excavación accidental.


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2. CONSIDERACIONES ELECTRICAS

2.1 Consideraciones eléctri cas.

Hay que considerar algunos parámetros del sistema eléctrico cuando se usacable con pantalla. Estos parámetros se analizan desde 2.2 hasta 2.6 de estecapitulo

2.2 Corrientes de falla.

La pantalla se puede dañar si se expone a corrientes de falla excesivas. Larecomendación para la capacidad de conducción de corriente de falla atierra de la pantalla es de 2000 A por ½ segundo. (IEEE estándar 141-1993). Una práctica recomendada para evitar la exposición de la pantalla eslimitar la corriente de falla a tierra por medio de una resistencia de puesta atierra y un relevador de falla a tierra con la sensitividad adecuada. Sin esta

medida de limitación, cuando ocurre una falla a tierra en un sistemasólidamente aterrizado puede resultar en la necesidad de sustituir grandescantidades de cable. La puesta a tierra de la pantalla en todos losempalmes y puntos terminales dirigirá la corriente de falla en trayector iasmúlt iples y reducirá bastante el peligro de daño de la misma.

2.3 Consideraciones de voltaje

Se debe usar un sistema de protección por pantalla en todos los cables condieléctrico solido de 5 KV nominales y mayores, a menos que el cable seaespecíficamente “listado” ò aprobado para uso sin pantalla.

2.4 Técnicas y dispositi vos de empalme.

Para cables con pantalla en los cuales se realizan empalmes, se debe asegurarla continuidad de la pantalla. El dispositivo ò dispositivos que se usen para darcontinuidad a la pantalla deben ser capaces de conducir la corriente de falla atierra y otras corrientes que puedan circular por la pantalla. Del mismo modo,los conectores que se usen en los puntos terminales del cable tambiéndeben asegurar la continuidad y ser capaces de conducir la corriente defalla a tierra u otras corrientes que puedan circular por la pantalla. Losconectores deben tener la misma ampacidad de la pantalla.

2.5 Conexión a tierra de las pantallas.

Las pantallas y las cubiertas metálicas de los cables de potencia se debenconectar a tierra por seguridad del personal y del sistema eléctrico. Estaconexión es necesaria para evitar que las pantallas o cubiertas metálicasoperen arriba del potencial de tierra. Si no se realiza esta conexión existe unpeligro para el personal así como también la degradación de la cubierta o deotros materiales existentes entre la pantalla y tierra. La pantalla se puedeconectar a tierra en uno ò en ambos extremos del cable. Cuando seconecta a tierra en un extremo, la corriente de falla cruza en formatransversal la distancia entre el punto de falla hasta el extremo conectadoa tierra, esto puede imponer una corriente alta a la pantalla, la cual puededañarse. En este caso también se puede producir una elevación detensión sobre la pantalla la cual puede crear una operación insegura.


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Cuando se conecta a tierra en ambos extremos, la corriente de falla sedivide y fluye desde el punto de falla hacia ambos extremos, reduciendopor consiguiente los riesgos de daño a la pantalla. La conexión a tierramúlt iple se realiza en todos los puntos de acceso a la pantalla del cable ylimita aun más los daños a la pantalla. La conexión a tierra en ambosextremos o la conexión múltiple reducen la elevación de tensión. Laconexión a tierra en ambos extremos también proporciona un blindajecontra los transitorios de interferencia electromagnética inducidos pordescargas atmosféricas o fallas.

2.6 Perdidas en la pantalla.

Las pantallas metálicas que se conectan a tierra en más de un extremogeneralmente tienen un flujo de corriente que circula en las mismas. Lamagnitud de esta corriente depende de: a) la inductancia mutua de los otroscables, b) La corriente en los conductores, c) El voltaje del sistema y d) Laresistencia de la pantalla. El efecto de la corriente circulante es calentar la

pantalla. Este calentamiento puede reducir la capacidad de conducciónefectiva de corr iente del cable cuando las pérdidas en la pantalla excedende 5% de las pérdidas en el conductor.

2.7 Barreras aislantes en la pantalla.

En los casos donde debido a la longitud del circuito se produzca unaelevación de voltaje mayor de lo permitido se pueden traslapar lasconexiones a tierra de la pantalla. Este método elimina las corrientescirculantes en la pantalla

2.8 Cables de media y alta tensión en canalización subterránea o

directamente enterrados

Los cables de circuitos de corriente alterna en media y alta tensión, que secanalizan en forma subterránea, ya sea en ductos o directamente enterradospresentan características de operación muy particulares, en los cuales elmétodo de puesta a tierra de la cubierta metálica del cable o de su pantallametálica tiene un fuerte impacto en su impedancia de secuencia cero. Lacomprensión de cómo el método de puesta a tierra de la pantalla o lacubierta metálica afecta (a) la impedancia de secuencia cero, (b) sucapacidad de conducción de corriente, (c) el calor que genera y (d) la

protección del cable, es muy importante al momento de determinar loscalibres de alimentadores y los esquemas de protección de los mismos.

Los cables enterrados se deben proteger contra un calentamiento excesivo, porarriba de su temperatura nominal de operación, el cual es causado porcorrientes de sobrecarga o de falla que fluyen en el conductor de fase y bajociertas condiciones también en la pantalla metálica y la cubierta metálica, si latiene el cable. Las altas corrientes de sobrecarga y de falla, si fluyen por untiempo extenso, generan un calentamiento excesivo debido a las perdidas I2R,a su vez este calentamiento excesivo puede dañar el aislamiento del cable,disminuir su vida útil e inclusive provocar su daño permanente. En este capítulo


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se trata exclusivamente el efecto que las pantallas metálicas y las cubiertasmetálicas tienen en el funcionamiento de los cables de media y alta tensión.

2.9 Diferentes tipos de cables de media tensión con pantalla


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3. METODOS DE PUESTA A TIERRA DE PANTALLAS Y CUBIERTASMETALICAS.

Todos los conductores que conducen una corriente alterna crean un campomagnético fluctuante externo, el cual induce un voltaje en todos losconductores que se encuentran a su alrededor y por lo tanto quedan enlazadosentre sí a través de sus campos. Por razones de seguridad, las cubiertas ypantallas metálicas se deben conectar a tierra en por lo menos un punto a lolargo de la longitud del cable. Las pérdidas en las pantallas y las cubiertasmetálicas de los cables monopolares dependen de varios factores, uno de loscuales es el bonding (Interconexión entre pantallas y su conexión a tierra) de la

pantalla o la cubierta metálica. Por lo tanto el bonding y la puesta a tierra dela pantalla o cubierta metálica es necesario para realizar las siguientesfunciones: (a) Limitar el voltaje en la cubierta metálica al valor requeridopor medio de juntas de seccionalizacion, (b) Reducir las pérdidas en lacubierta y pantalla metálica a un valor mínimo, (c) Mantener un circuitocontinuo para retorno de la corriente de falla y un adecuada proteccióncontra sobretensiones originas por maniobras y descargas atmosféricas.

Los métodos más comunes de puesta a tierra de la cubierta y pantallametálica son: (a) Conexión a tierra en un solo punto, (b) puesta a tierra

solida también conocida como “en dos puntos”, (c) puesta a tierracruzada y a continuación se describen brevemente.


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3.1 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en unsolo punto.

Esta es la forma más simple y consiste en conectar entre si las pantallas ocubiertas metálicas de los tres cables, en un solo punto y este conectarlo atierra. Esta conexión se realiza en un punto a lo largo de la longitud del cable.Este punto normalmente es uno de los extremos del cable o bien un punto a lamitad del alimentador.(Ver figura 1 y 2 de este capitulo)

Figura 1

Figura 2

Bajo este método, debido a que no existe un circuito cerrado en la pantalla o

cubierta metálica, en condiciones normales de operación, no existen corrientesque circulen longitudinalmente en la pantalla o en la cubierta, por lo tanto noexisten perdidas. Con este método no se produce el efecto de calentamiento delos cables debido a que no existen corrientes circulantes en las pantallas y/ocubierta, sin embargo se presentan voltajes inducidos que son proporcionales ala longitud del cable. Bajo este método se debe tener cuidado para proporc ionarun buen aislamiento y proporcionar dispositivos de protección contrasobretensiones en el extremo no aterrizado de la pantalla y/o cubierta metálicapara evitar los peligros al personal debido a estos voltajes inducidos .

En este método, Durante una falla a tierra en el sistema de potencia, la corriente desecuencia cero que es conducida por los cables podría retornar por cualquiertrayectoria externa disponible. Una falla a tierra en la vecindad inmediata del cablepuede causar una gran diferencia en la elevación del potencial a tierra entre los dos


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extremos del sistema de cables, causando peligros para el personal y el equipo. Poresta razón, el método de un solo punto necesita que se instale un conductor depuesta a tierra en paralelo que se conecte a tierra en ambos extremos del cable einstalado muy cerca de los conductores de fase, como se muestra en la figura 2,para conducir la corriente de falla durante fallas a tierra y para limitar laelevación de voltaje en la pantalla y/o cubierta durante fallas a tierra a un valoraceptable. El conductor paralelo de puesta a tierra es generalmente aislado paraevitar que se corroa.

De acuerdo al artículo 310-60 del NEC-2011, inciso C (1), la ampacidad que semuestra en las tablas 310-69, 310-70, 310-81 y 310-82 son aplicables para cablescon pantalla aterrizada en un solo punto. Al final de este capítulo se reproducendichas tablas.

3.2 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en dos puntos

La manera de eliminar los voltajes inducidos es unir las pantallas o cubiertas y

conectar a tierra la pantalla en ambos extremos del cable. Esto elimina la necesidadde instalar el conductor paralelo de continuidad que se usa en el método de “ unpunto” Este método elimina también la necesidad de instalar dispositivos contrasobretensiones , tal como se usan en el extremo libre de un cable conectado en unsolo punto.

La desventaja de este método de conexión es que, en condiciones normales deoperación, el considerable calor producido por las corrientes circulantes en lascubiertas o pantallas de los cables reduce la capacidad de conducción continuade corriente del alimentador.

De acuerdo al artículo 310-60 del NEC-2011, inciso C (1) , cuando la pantalla de

un cable se aterriza en más de un punto , su ampacidad se debe ajustar o reducirpara tomar en cuenta el calentamiento generado por la corriente circulante en lapantalla.

3.3 Puenteo de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra en formacruzada.

La conexión cruzada de las pantallas o cubiertas de cables monopolares intentaneutralizar el voltaje inducido total en la misma para reducir al mínimo lacorr iente circulante y las pérdidas y al mismo tiempo permite incrementar elespaciamiento entre los cables y longitudes más grandes de alimentadores. Al

incrementar el espaciamiento entre cables se incrementa la independenciatérmica de cada cable, aumentando por consiguiente su capacidad deconducción de corriente.La forma básica de conexión cruzada consiste en la seccionalizacion del cable en tressecciones de igual longitud y conectando en forma cruzada las pantallas o cubiertasde cada uno de los tres tramos. Las cubiertas o pantallas metálicas se unen y seaterrizan en el inicio y fin del alimentador, como se muestra en la figura 3.de estecapitulo


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4. CALCULO DE CORRIENTE CIRCULANTE Y PERDIDAS EN PANTALLASMETALICAS QUE SE CONECTAN A TIERRA EN SUS EXTREMOS.

4.1 Calculo de las perdidas en la pantalla.

La corriente que circula por el conductor de fase induce un voltaje en las pantallas ocubiertas metálicas y si estas se conectan a tierra en ambos extremos del cable seproducen corrientes circulantes.

De la misma manera que para el conductor de fase, la corriente que circula por laspantallas o cubiertas produce por efecto Joule una cierta cantidad de perdidas, que seexpresa por medio de la ecuación:

Ecuación 1

Mientras que la resistencia de la pantalla ò cubierta es constante y solo se debecorregir para la temperatura de operación (10ºc debajo de la del conductor de fase) , lamagnitud de la corriente Ip están en función de: (a) La corriente que circula en elconductor de fase, (b) la construcción del cable (c) el arreglo geométrico de los

conductores y (d) el espaciamiento entre los conductores que conforman el circuito.La tabla siguiente (tabla 9.3 del Manual Técnico de Cables de Energía Condumex)muestra el formulario para determinar la corriente circulante en pantallas en funcióndel arreglo geométrico de los conductores.


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4.2 Calculo de la corriente en las pantallas.

La corriente IP que circula en las pantallas para una configuración triangular,equilateral, de acuerdo a lo indicado en la tabla 9.3 se calcula por medio de laecuación;

Ecuación 2En la cual:

I = Corriente en el conductor de fase en amperes.

Xm = Reactancia mutua entre el conductor de fase y la pantalla o cubierta metálica.Rp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación, en Ohm / Km.

Se han desarrollado formulas simples que permiten determinar las corrientes enpantallas, ya considerando las corrientes que inducen los otros cables del sistema,mediante el uso de la resistencia efectiva RE de la pantalla, tal que al ser multiplicadapor el cuadrado de la corriente en el conductor de fase, se obtengan directamente lasperdidas en la pantalla ò cubierta metálica. Para el caso de tres cables de un circuitotrifásico, en arreglo triangular equidistante, separados una distancia S, la resistenciaefectiva RE está dada por la siguiente ecuación:


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Ecuación 3

A su vez Xm se calcula por medio de la ecuación:

Ecuación 4Donde:

En el caso de cables multiconductores con pantalla común, generalmente lascorrientes inducidas son pequeñas, ya que la pantalla o cubierta circunda a todos losconductores, y los efectos inductivos de la corriente en un conductor son neutralizadoscasi por completo por los efectos de las corrientes en los demás conductores. Sinembargo, para conductores de secciones mayores y corrientes elevadas, laneutralización no es completa y existen perdidas apreciables en la pantalla o cubierta.

Para cables tripolares con conductores redondos, la resistencia efectiva RE se puedecalcular con:

Ecuación 5Donde S a su vez, esta dado por:

Ecuación 6

5. VOLTAJE INDUCIDO EN PANTALLAS CUANDO SE CONECTAN A TIERRA ENUN SOLO PUNTO.

Los circuitos que están constituidos por cables monopolares, con pantalla y queconducen corriente alterna, generalmente tienen un voltaje inducido en la pantalla,cuando esta se conecta a tierra en un solo punto. La tabla 13 del estándar IEEE 1242-1999 que abajo se reproduce resume las formulas que se utilizan para calcular elvoltaje inducido en la pantalla para varios arreglos geométricos de cables. Bajo

condiciones normales de operación, se acepta que el voltaje máximo inducidosea hasta de 25 Volts, sin embargo, un máximo de 50 Volts frecuentemente


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también se considera aceptable. Se pueden usar apartarrayos en el extremo noaterrizado de la pantalla para mitigar los altos voltajes en el extremo no-aterrizado de la pantalla. El uso de cables triplexeados reduce la tensióninducida en las pantallas.

5.1 Resis tencia y Reactancia mutua de la pantalla.

Para facilitar el cálculo de la resistencia y la reactancia mutua de la pantalla, lassiguientes formulas, que desprecian las pérdidas de proximidad, pueden usarse paraefectos prácticos. El grupo de formulas para usarse con el sistema métrico se da enprimer lugar, seguido del grupo de formulas para usarse con el sistema ingles.

Las siguientes formulas de util izan para el sistema métrico.


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Las siguientes formulas se uti lizan para el sistema ingles.


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5.2 Cables en condui t

Para tres cables instalados en un conduit, use el arreglo II de la tabla 13 de IEEE1242, El espaciamiento S , es igual al diámetro exterior del cable incrementado en un20% para permitir el espaciamiento aleatorio en el conduit.

5.3 Longitud máxima de cables con la pantalla puesta a tierra en un solo punto.

La tabla 14 de IEEE 1242 que abajo se reproduce proporciona las longitudesmáximas de cables monopolares con pantallas puestas a tierra en un solo punto,para conservar el voltaje inducido en la pantalla dentro de 25 Volts máximosbajo las condiciones especificadas en la tabla. Otras condiciones permitenlongitudes diferentes. Por ejemplo, los cables operados a menos de suampacidad nominal permiten longitudes mayores.

6. CAPACIDAD DE CONDUCCION DE CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO ENPANTALLAS.

Es necesario considerar en el cálculo de alimentadores de media tensión lacapacidad de conducción de la corriente de cortocircuito en la pantalla para

estar seguro de que el cable no se dañara por el calor producido por la corr ientede cortocircuito durante el tiempo necesario para que la protección opere antesde que el calor generado dañe el aislamiento del cable. La capacidad decortocircuito de varios tipos de pantallas, el diseño de las pantallas y losmétodos de cálculo se dan en el estándar ICEA P-45-482-1994, Short CircuitPerformance of Metalic Shields and Sheaths of insulated cable.

De acuerdo al estándar IEEE 242-2001 “IEEE Recommended Practice for Protectionand Coordination of Industrial and Commercial Power Systems” el cual indica que “Uncable de potencia se debe proteger contra un sobrecalentamiento debido a unacorriente de cortocircuito excesiva que fluya en el mismo” en el cual se puededañar o destruir su aislamiento, el estándar también indica ”La pantalla del cabledespués de que ha ocurrido la falla también transporta parte de la corriente deretorno de la falla, la cual retorna a través de las pantallas, de otros conductores


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o de conductores de puesta a tierra de equipo, desde un punto de puesta atierras común” .

Como se puede verificar que la pantalla de un cable de potencia será capaz deconducir una corriente de falla de magnitud especifica durante el tiempo que eldispositivo de protección requiere para interrumpir la falla sin que se dañe suaislamiento? A continuación veremos la forma de verificarlo.

6.1 Análisis de la capacidad de conducción de la corriente de falla a tierra.

El alimentador típico de media tensión consiste de tres conductores de fase conpantalla y un conductor de tierra, canalizados en tubo condui t o charola. Siocurre una falla a tierra en una de las fases, la corriente de retorno de falla atierra se dividi rá entre las pantallas metálicas, el conductor de tierra y lacanalización si esta es metálica. La magnitud de la corriente en cada una deestas trayector ias variara en forma inversamente proporcional al valor de laimpedancia de cada trayectoria. En otras palabras en la trayectoria de mayor

impedancia fluirá la menor cantidad de corriente de falla.Existe la creencia común de que la mayor parte de la corriente de falla retorna enla pantalla del conductor de fase en falla. Esto es cierto si la falla a tierra esdesde un conductor de fase a su propia pantalla metálica. Sin embargo se hademostrado mediante pruebas que solamente del 3% al 14% de la corriente defalla a tierra disponible flui rá a través de cada una de las pantallas metálicas.

La tabla 1 de este capítulo que se da a continuación muestra la distribución decorrientes medidas durante una prueba con una corriente de falla a tierra de 400 Apara varias configuraciones conduit-conductor de fase-conductor de tierra, La suma delas corrientes mostradas en la tabla resulta en corrientes mayores de 400 A, debido a

las diferencias en el ángulo de fase de las corrientes. Como puede observarse, losporcentajes mostrados en la tabla varían con la configuración conduit-conductor defase-conductor de tierra del alimentador bajo prueba. La tabla 1 también muestraque la mayor parte de la corriente de retorno de falla fluirá en el condui t metálicoy en el conductor de tierra, debido a que sus impedancias son mucho más bajasque las impedancias de las pantallas en su construcción típica.

Para estudios de coordinación de protecciones de falla a tierra, se puede asumircon toda seguridad que so lamente del 15% de la corriente de falla flui rá en cadapantalla metálica.


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tabla 1

6.2 Verificación del funcionamiento de la pantalla por corto ci rcuitoMétodo ICEA P-45-482

El estándar ICEA P-45-482 proporciona ecuaciones que permiten determinar laoperatividad de las cubiertas y pantallas metálicas en cables aislados que seencuentran bajo la influencia de corrientes de cortocircuito debidas a fallas en loscables o en los equipos. Se considera que la duración de la corriente de falla puedeser hasta de 2 segundos. Los cálculos para cortocircuitos de mayor duración conducena incrementar resultados conservadores.

Se deben considerar los siguientes aspectos para estimar el funcionamiento bajo

condiciones de cortocircuito de la cubierta/pantalla de un circuito en particular.

1. La magnitud y la duración de la corriente de falla incluyendo cualquierdivisión de la corriente de falla debido a las diversas trayectorias conductivasdisponibles.

2. La capacidad de aguante de las uniones de cubiertas/pantallas, terminales yotros accesorios en el circuito en falla para soportar los esfuerzos térmicos ymecánicos creados por la falla.

3. La interacción entre el circuito en falla y el equipo circundante tales comosoportes, cinchos, sujetadores y grapas.


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4. La capacidad de aguante del cable del circuito afectado, como es instalado,para soportar las fuerzas electromagnéticas creadas durante la falla.

5. La temperatura máxima que los componentes del cable pueden soportar sinincurrir en daño debido al calentamiento causado por el flujo de la corriente defalla.

6. El daño al equipo adyacente debido al arqueo en el lugar de la falla.

7. Las limitaciones impuestas por la corriente de cortocircuito en el conductorde fase. Ver el estándar ICEA publicación P-32-382, Short Circuit Characteristicsof Insulated Cable.

Una simplificación importante supuesta en las formulas contenidas en este estándar esla naturaleza adiabática del calor generado, por consiguiente la duración de la fallaes tan corta que todo el calor generado por la corriente de falla durante estetiempo es supuesto que es completamente contenido dentro de la cubierta o

pantalla. La cantidad de calor disipado desde la cubierta o pantalla metálica durante laocurrencia de fallas continuas de corta duración es pequeña. Una cantidadsignificativa de calor puede ser disipada debido al relativamente largo periodo deenfriamiento implicado para fallas que se interrumpen y se restablecen por medio dedispositivos de protección con recierre automático Un cálculo no-adiabático puede sermás adecuado para esta ultima situación y también para fallas de cortocircuito queexceden de 2 segundos de duración y que requieren más precisión.

Las formulas descritas en la publicación ICEA P-45-482 se basan en la capacidadtérmica de la cubierta/pantalla metálica y la temperatura limite máxima transitoria delconductor adyacente que forma parte del cable. La cantidad de calor contenido en lacubierta/pantalla metálica es aquel creado por la corriente de falla y también está en

función de la elevación de temperatura en la cubierta/pantalla metálica. La magnitudde la elevación de temperatura es la diferencia entre la temperatura límite superior delconductor en contacto con la cubierta/pantalla y la temperatura de operación de lacubierta/pantalla inmediatamente antes de la iniciación de la falla.

La temperatura de operación de la cubierta o pantalla depende de la temperaturadel conductor y el espesor del aislamiento el cual está determinado por el voltajenominal del cable. Ver la tabla 2 del estándar. Que se incluye en este capítulo, paralos valores estimados sugeridos.

Los límites de temperatura máxima transitor ia del conductor son aquellos que nocausan cambios significativos en los materiales componentes del cable. Estos límites

fueron extrapolados en base a pruebas de laboratorio.

El estándar ICEA P-45-482 ha desarrollado las ecuaciones y parámetros que seestablecen para cálculos de cortocircuito en cubiertas o pantallas fabricadas deAluminio, Bronce, Cobre, Plomo, Acero, Zinc y aleación de Nickel-Cobre. Los tipos decubiertas ò pantallas que se incluyen son las siguientes:

a) Alambres, aplicados ya sea helicoidalmente, como una trenza, o longitudinalmentecon ondulaciones.

b) Cinta plana aplicada helicoidalmente sin traslape

c) Cinta plana aplicada helicoidalmente con traslape.


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d) Cinta corrugada aplicada longitudinalmente

e) Cubierta tubular

Los tipos de materiales de conductores en contacto con la cubierta o pantalla son:Cadena cruzada (Termoajustable), Termoplástico, papel impregnado y tela barnizada.

Los materiales que determinan la máxima temperatura de cortocircuito permisible son :Papel, tela barnizada, y algunos materiales termoplásticos y termoajustables dereciente aparición en los estándares de ICEA.

Los límites de temperatura, considerados seguros, fueron establecidos para lasdiversas cubiertas y materiales aislantes.

Las ecuaciones se pueden usar para determinar:

a) La máxima corriente de cortocircuito y la duración permitida para unacubierta/pantalla especifica,

b) El tamaño de la cubierta/pantalla necesario para conducir una corriente decortocircuito específica para una duración determinada.

c) La duración máxima que una cubierta/pantalla puede conducir una corrientede cortocircuito especifica.

Las formulas y parámetros de cálculo se muestran a continuación:


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Los valores de M para diferentes temperaturas de operación de la pantalla / cubierta yde diferentes materiales de la misma se obtienen de las siguientes tablas de ICEAP45-482-1999.


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El estándar ICEA P-45-482-1999, Short Circuit Performance of Metalic Shields andSheaths of insulated cable, el cual es un estándar publicado por la Asociación deIngenieros de Cables Aislados, proporciona una ecuación que se usa para determinarel área la sección transversal requerida de la pantalla metálica de ambos cables depotencia; 100% y 133% de nivel de aislamiento.

M2 = (Io)2 t / A2

En la cual:Io = Corriente de falla en amperes.t = tiempo de la falla en segundosA = Área de la sección transversal de la pantalla, en circular mils (cm2)M = Constante.

De acuerdo al artículo Electrical Construction and Maintenance, Verifying Ground-FaultCoordination for MV Power Cable Shielding, Aug 1, 2008, BY Jhon Dedad SeniorDirector, Editorial and ECM Development, dependiendo del voltaje nominal del cable,configuración y construcción, variara el valor de M. Para cables de potencia de 90ºC


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nominales, con pantalla de cobre y cubierta termoplástica (PVC ò CPE) , o aislamientode papel impregnado , la constante M es como sigue:

0.063 para cables de 5 KV hasta 15 KV y 25 KV nominales.0,065 para cables de 35 hasta 46 KV nominales.0.066 para cables de 69 KV nominales.

Para cables de 90ºC nominales con pantalla de cobre y cubierta termoajustable(Neopreno, Hypalon, ò polietileno termoajustable (CPE), la constante M es comosigue:

0.089 para cables de 5 KV hasta 15 KV y 25 KV nominales.0,090 para cables de 35 hasta 46 KV nominales.0.091 para cables de 69 KV nominales.

Por medio de las ecuaciones 9 y 10 se puede determinar: (a) La corriente de falla queuna pantalla puede conducir durante el tiempo requerido por el relevador de falla a

tierra ò el dispositivo de protección, (b)El máximo tiempo (t) que una corriente de falladeterminada (Io) puede circular por una pantalla determinada.

A partir de la ecuación M2 = (Io)2 t / A2

Se derivan las siguientes ecuaciones para obtener (Io) , (t) y (A)

Io = { M2 A2 / t }1/2 o de otra manera I0 = MA / √t Ecuación 9

t = M2 A2 / Io2 o de otra manera t = (MA/I0)2 Ecuación 10

A = { (IO)2 t / M2 }1/2 o de otra manera A = I0 √t / M Ecuación 11

6.3 Método alternativo 1

El proveedor KERITE, quien fabrica cables de media y alta tensión incluye dentro deinformación técnica de soporte para la selección y especificación de cables de energía,el siguiente método para analizar el comportamiento de las pantallas bajo conducciónde la corriente de cortocircuito.

La ecuación que define el comportamiento de la pantalla bajo condiciones decortocircuito es la ecuación 12 que abajo se indica:


El valor de K se puede obtener de la tabla siguiente:


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Para determinar la corriente de falla para operación segura de una pantalla de cintas ,el área de la sección transversal (A) en la ecuación 13 que es para conductor de fase,se puede sustituir por la de la pantalla y resulta la ecuación siguiente, que determina lacorriente de falla segura para la operación de una pantalla de cintas.


La grafica siguiente muestra el tiempo que una pantalla de cintas puede conducir unacorriente de falla de valor determinado. Para “Fusing (Fusión)” (Es decir Temperatura

a la cual la pantalla se funde), la misma grafica se puede usar como sigue:

1. Para determinar el tiempo de fusión para una corriente de valor particular, entre a lagrafica con el valor de corriente, encuentre el valor del tiempo seguro y multiplíquelopor 4.93

2. Para determinar la corriente de fusión para un tiempo particular, divida el tiempoentre 4.93 y entre a la grafica con este valor.


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6.4 Método alternativo 2

El proveedor OKONITE, quien fabrica cables de media y alta tensión incluye dentro de

información técnica de soporte para la selección y especificación de cables de energía,el siguiente método para analizar el comportamiento de las pantallas bajo conducciónde la corriente de cortocircuito.

La ecuación que define el comportamiento de la pantalla bajo condiciones decortocircuito es la ecuación 14 que abajo se indica:


Los valores de K se obtienen de la siguiente tabla;


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7. PANTALLAS Y CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPO EN MT

Las impedancias de las pantallas, ya sea de cint

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