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CALIFICACIÓN DE TERMINALES DE POTENCIA POR DP´S 02 de Junio de 2015 Félix Ernesto Toledo Díaz La función principal de los cables de potencia es la de transportar electricidad desde la fuente de generación hasta los puntos de consumo, donde puede ser transformada en luz y otras formas de energía.
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CALIFICACIÓN DE TERMINALES DE POTENCIA POR DP´S
0 2 d e J u n i o d e 2 0 1 5
Félix Ernesto Toledo Díaz
L a f u n c i ó n p r i n c i p a l d e l o s c a b l e s
d e p o t e n c i a e s l a d e t r a n s p o r t a r
e l e c t r i c i d a d d e s d e l a f u e n t e d e
g e n e r a c i ó n h a s t a l o s p u n t o s d e
c o n s u m o , d o n d e p u e d e s e r
t r a n s f o r m a d a e n l u z y o t r a s f o r m a s
d e e n e r g í a .
CALIFICACIÓN DE TERMINALES DE POTENCIA
POR DP´S
02 de Junio de 2015
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RESUMEN
La presente documento trata sobre la calificación de los accesorios de los
cables como lo son las terminales de 15 kV tipo exterior. Esto se realizará por
medio de diferentes pruebas de aceptación que consisten en:
- Pruebas dieléctricas, estas pruebas determinan la rigidez del aislamiento para
soportar sobretensiones, cuando se inducen en las líneas debido a descargas
atmosféricas, cuando se abren o cierran interruptores, también estas pruebas
determinan si la terminal está bien constituida a el cable de potencia.
- Prueba de Descargas Parciales, estas pruebas determinan el grado de
imperfección del aislamiento por medio de equipo moderno que está
especializado en esta tipo de prueba.
- Ciclos de envejecimiento acelerado, con esta prueba se determina la
durabilidad del material al poner más de la tensión nominal, tanto la terminal
como al cable en un determinado tiempo para envejecerlo y hacerle pruebas
para ver su duración ante los distintos cambios climáticos donde serán
colocados.
Las pruebas de las terminales fueron validados conforme a la norma que el
fabricante solicitó que en este caso es NMX-J-199-ANCE-2002 e IEC 60060-1996.
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INTRODUCCIÓN
Los sistemas de distribución son una parte importante del sistema de
potencia, los cuales están directamente relacionados con el usuario final, por lo
que se requiere mantener altos niveles de confiabilidad en el suministro y en la
calidad de la energía.
La confiabilidad y seguridad en la operación de los equipos y sistemas
eléctricos, depende del buen estado de las terminales y del aislamiento del cable
donde esté montado.
Generalmente se utiliza alta tensión para examinar el estado de las
terminales y el aislamiento del cable, para así determinar su capacidad para
cumplir con los requerimientos de diseño. Básicamente la prueba de alta tensión
es la aplicación deliberada de una tensión mayor que la nominal del equipo,
durante un periodo de tiempo específico, con el fin de verificar si el aislamiento
soporta o se perfora con la tensión aplicada.
Otra de las pruebas es la llamada prueba de Descargas Parciales (DP´s),
ésta examina la construcción del aislamiento del cable para determinar si tiene
imperfecciones en el material aislante. Básicamente esta prueba de DP´s busca
imperfecciones en el aislamiento aplicando descargas eléctricas.
Los ciclos de envejecimiento acelerado llevan al conjunto de la terminal y
cable a someterse a esfuerzos mayores para verificar que soporten los esfuerzos
tanto de tensión como de corriente.
En este documento se califican las Terminales Poliméricas, Contráctil en
frío de hule silicón, Clase 1A, Tipo QT-II, Uso exterior, Tensión 15KV, instalada en
cable CONDUMEX VULCANEL 2000 XPL 253 500KCM Al 15KV 100% N.A.
AÑO 2007 NRF-CFE-024, se calificarán con la norma NMX-J-199-ANCE-2002 e
IEC-60060-1996.
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Las pruebas para calificar las terminales son las siguientes:
Tensión de extinción de descargas parciales.
Tensión de aguante en seco en C.A. 60 Hz. Durante 1 minuto.
Tensión de aguante en seco en C.A. 60 Hz. Durante 6 horas.
Tensión de aguante en húmedo en C.A. 60 Hz. Durante 10 segundos.
Tensión de aguante en seco en C.D. durante 15 minutos
Tensión de aguante al impulso por rayo.
Ciclos de envejecimiento.
Estas pruebas tienen el propósito específico de, verificar que el aislamiento de
las muestras cumplan con lo especificado en la norma NMX-J-199-ANCE-2002, en
los capítulos siguientes se hablará de cómo se llevan a cabo las pruebas, su
normatividad y su teoría.
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Capítulo 1
Descargas Parciales (DP´s)
Cuando un material aislante es sometido a una diferencia de potencial
debido a la presencia de un campo eléctrico, éste se concentra en las cavidades
que se crean por imperfecciones del material aislante. El incremento del campo
eléctrico produce ionización del gas presente en las cavidades, dando origen a
una descarga eléctrica en dichas cavidades.
La ionización es un principio físico, el cual se inicia cuando un electrón libre
(o un ion negativo) se encuentra en un espacio lleno de algún material ionizable,
por ejemplo, gas donde exista un campo eléctrico. Si un electrón tiene la suficiente
libertad para moverse en el gas, éste adquirirá una gran energía dinámica tal que
en la colisión del electrón y una molécula neutra se liberará un electrón de ésta por
el impacto. Así cada vez que esto suceda se liberará un nuevo electrón capaz de
producir el mismo efecto, logrando de esta forma que el número de electrones
libres aumenten, produciendo así el efecto avalancha.
Estas descargas eléctricas afectan solo a la zona en que se producen, es
decir, no abarcan todo el aislamiento, de allí su nombre genérico de Descargas
Parciales. Se podría definir entonces a las DP´s, como pequeñas descargas
eléctricas que se producen en el seno de la cavidad con gas presente, en un
medio aislante o líquido.
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Con tensión continua el fenómeno es irrelevante, pues sólo ocurre una
descarga al conectar el voltaje y otra al desconectarlo, comparado con lo que
ocurre con corriente alterna, en que habrá al menos dos descargas por ciclo.
La mayoría de los detectores de DP´s responden a las caídas de tensión y
son por lo tanto capaces de determinar la carga. La medición eléctrica de los
impulsos originados por las DP´s pueden expresarse en carga aparente (pC).
DEGRADACIÓN DEL AISLAMIENTO
La degradación de un aislante sólido por las descargas parciales es el
resultado de un conjunto complejo de fenómenos.
I) Elevación de la temperatura del gas encerrado proveniente de los
choques elásticos entre electrones y moléculas gaseosas.
II) Bombardeo iónico y electrónico de las paredes de la cavidad
provocando su erosión.
III) Descarga química progresiva del material con producción de gases,
particularmente hidrógeno.
La importancia de estos fenómenos varía con el material dieléctrico y las
condiciones en las cuales se utiliza, pero se ha demostrado que en un ambiente
gaseoso químicamente inerte, la degradación de un aislante obedece a un mismo
tipo de evolución que comprende tres fases sucesivas:
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I) Inicialmente el proceso de ataque se limita a una erosión lenta, las
cavidades se agrandan y pueden entrar en contacto con otra,
debilitando localmente el muro aislante.
II) La segunda etapa puede aparecer en los puntos débiles de la cavidad a
partir de las cuales las descargas se propagan al interior del dieléctrico
sano formando caminos conductores.
III) Cuando el campo eléctrico, en la extremidad de una de las
ramificaciones, alcanza al gradiente disruptivo intrínseco del aislante se
observa un desgaste rápido del material en esa dirección y cuando esta
progresión de daño se produce también hacia el electrodo opuesto, la
perforación completa del aislante produce una descarga total de una
pieza conductora a otra como se muestra en la figura 2.1.
FIGURA 2.1.- Imperfección en el aislamiento (cavidad), que provoca puntos débiles en la cavidad
y forma caminos o ramas que hacen que falle el aislamiento.
Cavidad
Punto débil de la
Cavidad
Camino
s
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EFECTOS OBSERVABLES DE LAS DESCARGAS
Las descargas pueden detectarse y localizarse por uno de sus efectos
observables que son:
a) Pérdidas en el dieléctrico.
b) Presencia de pulsos eléctricos en la tensión de alimentación.
c) Cambios en la presión del gas.
d) Cambios químicos en el material bajo prueba.
e) Ruido radiado.
Los tipos de efectos dependen del tipo de material y equipo que presenta las
descargas parciales, algunos sólo sirven para localizar la zona de descarga pero
no para determinar la magnitud ni la repetibilidad de las mismas.
PRECAUCIONES QUE DEBEN TOMARSE.
- Correcto acoplamiento.
- Limitar la longitud de conexión del circuito.
- Utilizar perfectamente un sólo punto de toma a tierra.
- Apretar fuertemente las conexiones, tanto del potencial y tierra.
- Evite objetos o paredes cercanos extraños al circuito de prueba.
- Evite la presencia de objetos flotantes cercanos al circuito de prueba.
- Utilice muestra con terminales libres de DP´s.
- Utilice el circuito balanceado si es posible.
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NORMA PARA LA PRUEBA DE EXTINCIÓN DE DESCARGAS PARCIALES.
De acuerdo a la norma NMX-J-199-ANCE-2002, nos indica el procedimiento para
calificar las DP´s.
Con esta prueba de extinción de descargas parciales podemos detectar
impurezas en el material aislante y con esto determinar si el grado de pC que tiene
el material pasa la normalización para la DP´s.
A continuación se muestra el procedimiento para probar las terminales:
Las terminales a probar deben de prepararse de acuerdo a lo siguiente:
a) Debe estar seca y limpia.
b) Debe de estar ensamblada con cable de la mayor área de la sección
transversal, según el tipo de cable para el cual fue diseñada la terminal,
preparándola de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
- Las terminales premoldeadas cuyas dimensiones dependen de los
diámetros máximos y mínimos del aislamiento del cable deben
probarse utilizando el diámetro de aislamiento mínimo del cable y el
área de sección transversal máxima del conductor.
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c) Debe colocarse como lo indique el fabricante, quien debe de considerar
las condiciones típicas de servicio. Todos los detalles del montaje para
las pruebas deben ser registrados y deben estar disponibles cuando sean
requeridos.
d) La conexión de prueba de alta tensión debe de salir de la terminal del
cable en una dirección aproximadamente paralela al eje del dispositivo y
a una separación no menor que la distancia de flameo en seco sobre el
aislamiento, ningún objeto debe de estar lo suficientemente cerca del
dispositivo como para afectar los resultados de prueba, exceptuando la
estructura del soporte.
El dispositivo de medición, para detectar las descargas parciales debe de
ajustarse para tener una sensibilidad que le permita la detección de pulsos de
descargas por lo menos de 5.0pC.
La tensión de prueba debe de elevarse a por lo menos 120% del valor
indicado en la columna 7 de la tabla 2.1, debe de mantenerse en ese nivel por lo
menos 3s; pero no más de 60s. Las terminales bajo prueba pasan exitosamente
ésta; si el nivel de descargas parciales no excede de 5.0pC durante el periodo de
prueba.
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TABLA 2.1.- Características dieléctricas para terminales para cable con aislamiento extruido.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tensión de
designación
KV
Tensión
máxima
de diseño
KV
Tensión de
aguante
durante
1min en
seco
KV
Tensión de
aguante
durante 10
min en
húmedo
KV
Tensión
de
aguante
durante 6
hrs en
seco
KV
Tensión de
prueba de
envejecimient
o acelerado
KV
Tensión de
extinción de
descargas
parciales
KV
Tensión
de
aguante
de
impulso
de rayo
KV
Tensió
n de
aguant
e de
c.d.
durant
e
15min.
KV
2.5 1.6 20 20 10 4.5 2.0 60 40
5 3.2 25 25 15 9 4.5 75 50
8.7 5.5 35 30 25 15 7.5 95 65
15 9.5 50 45 35 26 13 110 75 25 16 65 60 55 43 21.5 150 105
34.5 22 90 80 75 60 30 200 140
46 29.5 120 100 100 53 40 250 170
69 44 175 145 120 80 60 350 245
115 73 205 190 145 133 80 450 275
120 73 260 230 175 140 100 550 320
138 88 310 275 200 160 120 650 355
161 102 365 315 230 186 140 750 395
230 146 460 445 320 265 200 1050 510
NOTA:
Las frecuencias del sistema debe ser de 60 Hz.
Todos los valores de prueba de tensión de aguante son sin tolerancia negativa pero pueden incluir
factor de corrección atmosférica.
Las terminales tipo interior no se someten a pruebas en húmedo.
Los valores de tensión de impulso por rayo deben de aplicarse con polaridad positiva y negativa.
Las pruebas de tensión de aguante en corriente directa son con polaridad negativa.
La sensibilidad minima del detector debe ser de 5 pC. Para 230 KV no se tienen valores establecidos
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PRUEBA
Se realizan los arreglos y conexiones necesarias para la correcta realización de la
prueba.
Con los resultados dados del software se obtiene el valor de la DP´s del objeto
bajo prueba y con este valor se da un dictamen conforme a la norma aplicada para
el OBP.
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RESULTADOS
ANTES DE
PRUEBAS
DIELÉCTRICAS
DESPUÉS DE
PRUEBAS
DIELÉCTRICAS
ANTES DE
PRUEBA CICLOS DE
ENVEJECIMIENTO
DESPUÉS DE
PRUEBA CICLOS DE
ENVEJECIMIENTO
MUESTRA M - 1 M - 2 M - 1 M - 2 M - 3 M - 4 M - 1 M - 1
Temperatura
Ambiente 25°c 25°c 24°c 24°c 23°c 23°c 25°c 25°c
Humedad
Absoluta 33% 33% 32% 32% 32% 32% 32% 32%
Presión
Barométrica
82.78 82.78 82.67 82.67 83.26 83.26 82.87 82.87
Tensión de
Prueba
kv kv kv kv kv kv kv kv
Medición de
DP´s
RESULTADO
SATISFACTORIO
Con esta tabla se puede ver que conforme a la norma NMX-J-199-ANCE-
2001 la especificación para este tipo de terminal de 15KV nos marca un máximo
de 5pC y todas las muestras salieron menores al valor máximo permitido de la
norma y por lo tanto el resultado de las muestras fue SATISFACTORIO.
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CONCLUSIÓN
Es importante realizar estas pruebas de rutina para verificar que el
fabricante en sus especificaciones técnicas cumpla con las normas que califican
las terminales probadas, y así obtengan la renovación de vigencia para vender su
producto.
Con las pruebas que se realizaron para calificar las terminales de 15 KV tipo
exterior se llegó a un resultado satisfactorio en todas las pruebas de rutina que
comprenden:
Tensión de Extinción de Descargas Parciales
En la prueba de tensión de extinción de descargas parciales se verificó que el
aislamiento no tuvo imperfecciones u arborescencias importantes de la pantalla
semiconductora del aislamiento del cable, conforme a las especificaciones de la
norma en el inciso de descargas parciales que en esta nos marca una tolerancia
de 5pC y las mediciones tomadas a las muestras no pasaron de dicha tolerancia
para rechazar dichas terminales.
En base a los resultados obtenidos se concluye que las terminales de 15 kV
tipo exterior pasaron las pruebas de rutina satisfactoriamente basándose en la
norma para calificar dichas terminales.
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REFERENCIAS
NRF – 024 – CFE – 2003 “Cables de Potencia Monopolares de 5 kV a 35kV”
NMX – J – 142 – ANCE – 2000 “Productos Eléctricos – Conductores – Cables de
Energía con pantalla metálica, Aislada con Polietileno de Cadena Cruzada o a
Base de Etileno – Propileno para tensiones de 5 kV a 115kV – Especificaciones y
Métodos de Prueba”.
REFLEXIÓN
¿Por qué has elegido ese tema?
Por qué es una parte de mi trabajo y me fascinan lo relacionado a Cables
de Potencia.
¿De dónde partiste para empezar a escribir?
De las Normas de referencia, experiencias en campo y laboratorio.
