Componentes Cables

8/20/2019 Componentes Cables

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CARACTERISTICAS DECABLES DE ENERGIA DEMEDIA Y ALTA TENSION


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CLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORESCLASIFICACION DE LOS CONDUCTORES

ELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOSELECTRICOS

CABLES DE ENERGIA

CABLES PARA SEÑALIZACION YCONTROL

ALAMBRE MAGNETO


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CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA CABLE DE ENERGIA ¿Qué es un Cable de¿Qué es un Cable de

Energía? Energía?

FUNCION FUNCION

GENERACION CONSUMO


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GENERACION

GG TT TT TT13.8 kV13.8 kV20 kV20 kV

SUBTRANSMISIÓN

400 kV400 kV

230 kV230 kV115 kV115 kV

SISTEMA ELECTRICO

TRANSMISION

DISTRIBUCION EN MEDIA TENSION

DISTRIBUCIÓN EN BAJA TENSIÓN

TT

TT TT

TT

TT TT

23 kV o 13.8 kV23 kV o 13.8 kV

DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN

127 V127 V

127127VV

4.16 kV4.16 kV

220 V220 V

CONDUMEX


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COMPONENTES PRINCIPALES DE UN CABLE DE

ENERGIA

CUBIERTA

PANTALLAMETALICA

SEMICONDUCTORSOBRE AISLAMIENTO

AISLAMIENTO

SEMICONDUCTORSOBRE CONDUCTOR

CONDUCTOR


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Flujo de agua

Tubo

EL CONDUCTOR

El conductor transmite la corriente eléctrica ó la energía eléctrica de un lugar a otro.

Se puede comparar con el agujero de un tubo,que transporta el flujo de agua.

Corriente eléctrica

- A mayor área del conductor, mayor capacidad de transmisión de corriente eléctrica.- A mayor área interna del tubo, mayor capacidad de transporte de flujo de agua.

En términos generales:


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EL AISLAMIENTOSe puede comparar con la pared de un tubo, que transporta agua.

Presiónde agua

Campo ó

eléctrico

Gradiente

En términos generales:

- A mayor espesor de aislamiento, mayor soporte de voltaje.

- A mayor espesor de la pared del tubo, mayor soporte de presión.

La pared del tubo soporta

la presión del agua

Pared deltubo

Lineasequipotenciales

El aislamiento soporta el

voltaje o el campo eléctrico

Aislamiento


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LA CUBIERTA LA CUBIERTA LA CUBIERTA LA CUBIERTA

Proporciona protección contralos agentes externos: MecánicosMecánicos IntemperismosIntemperismos Agentes QuímicosAgentes Químicos

CUBIERTA

CUBIERTAS MATERIALESMetálicas ••••

•••• AluminioElastoméricas •••• Hypalon

•••• Polietileno Clorado•••• NeoprenoTermoplásticas •••• PVC

•••• Polietileno1.Alta Densidad2.Baja Densidad

Plomo••••


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ARMADURA ARMADURA ARMADURA ARMADURA

PROPORCIONA PROTECCION CONTRA DAÑOS MECACNICOS AL NUCLEO DEL CABLE


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Metal Densidad

(g / cm3)

Temperaturade fusión

(°C)

Coeficientelineal de

dilatación

(x 10-6 / °C)

Resistividadeléctrica a

20 °C

(ΩΩΩΩ-mm2 / km)

Coeficientetérmico deresistividadeléctrica a

20 °C(1 / °C)

Conductividadeléctrica(% IACS*)

Acero 7.90 1 400 13 575 – 115 0.0016 –0.0032

3 – 15

PROPIEDADES DE ALGUNOS METALES

. . . .

Cobreduro

8.89 1 083 17 17.922 0.00383 96.2

Cobresuave

8.89 1 083 17 17.241 0.00393 100

Plomo 11.38 327 29 221 0.00410 7.8

Zinc 7.14 420 29 61.1 0.00400 28.2

* IACS = International Annealed Copper Standard;(asigna al cobre recocido 100 % de conductividad)


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COMPARACION ENTRE

COBRE Y ALUMINIO

o re um n o

Relación de pesos de conductoresconsiderando el mismo calibre del conductor

1.0 0.3

Relación aproximada de áreas transversalesde conductores considerando la misma

capacidad de conducción de corriente

1.0 1.64

Relación aproximada de capacidades deconducción de corriente de conductoresconsiderando la misma sección transversal

1.0 0.78


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MATERIAL Y TEMPLE Conductividad

Esfuerzo de tensión a la

COMPARACION ENTRE COBRE Y ALUMINIO(CONTINUACION)

rup ura(kgf / mm2)

COBRE SUAVE 100 25*

COBRE SEMIDURO 96.66 35.4 – 40.3*

COBRE DURO 96.16 45.6*

ALUMINIO SEMIDURO 61.4 10.7 – 14.3

ALUMINIO DURO 61.0 16 – 19

* Valores representativos para un calibre 5.26 mm2 (10 AWG)


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FORMAS Y TIPOS DE CONDUCTORES

Alambre Concéntrico Comprimido CompactoSectorial

(No. de alambres= 1+6+12+18+...

(Ø min = 0.97Øconcéntrico

(Ø ~= 0.91Ø (Cables trifásicos)

Segmental Anular Cordón Calabrote

(~>= 800 mm2

reduce efecto piel)(Cables OF)

(Cables flexibles

cableado sin órden)

(Cables flexiblespequeños - grandes -

reunido de cordonesó concéntricos)


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FLEXIBILIDAD EN CONDUCTORES

INCREMENTO EN FLEXIBILIDAD

Aumento del número

de alambres

sm nuc n e

paso de cableado

Recocido delmaterial


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CLASES DE CABLEADO DE

ACUERDO A NOM-063-SCFI-1994

NUMERO DE ALAMBRES EN FUNCIÓN DE LA CLASE DE CABLEADO

CALIBRE mm2

(AWG ó kCM)

AA B C H K

2.08

(14)

-- 7 19 41

8.37

8

-- 7 19 133 168

33.6(2)

3 7 19 133 665

107

(4/0)

7 19 37 259 2 107

253

(500)

19 37 61 427 5 054

507

(1000)

37 61 91 703 10 101


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CLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUSCLASES DE CABLEADO Y SUS

APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES APLICACIONES

AAAA

AA

BB

yy

GG

HHIIJJ

KK


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Características Eléctricas Características Eléctricas

RIGIDEZ DIELECTRICA = V

e

kV mm

eLíneas de

campoeléctrico

Líneas equipotenciales

V


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M Km−−−−ΩΩΩΩ Ra k da

dp1==== log10RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO:

dp1 da Tipo de K

aislamiento

-

20°C Papel impregnado

XLPEP

3,0005,1205,120

Ve


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CAPACITANCIA DEL CABLE

Semiconductor

sobre conductor =electrodo interno

Semiconductor

sobre aislamiento =electrodo externo

Vo

Vo

C = Capacitancia del cable (F/km).

Er = Constante dieléctrica del aislamiento (sin unidades).

da = Diámetro sobre aislamiento (mm).

dp = Diámetro bajo aislamiento (mm).

6

10

10

log

0241.0 −

= x

dp

da

Er C

fCLV I π 2=

I = Corriente capacitiva en el cable (A).

f = Frecuencia del sistema (60 Hz).

L = Longitud del cable (km).

Vo = Voltaje de fase a tierra del sistema (V).


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C SIC Co====CONSTANTE DIELECTRICACONSTANTE DIELECTRICA

+ + + + + +

- - - - - -C C0AireV

+ + + + + +

- - - - - -Dieléctrico


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Características Eléctricas

Factor de disipación = Tanδ

Factor de potencia = Cosθ

I

δ θ Tan I I Cosc

r ≅=

δ ω CTanV R

V Q

22.

==

CR

Tan

ω

δ 1=

θ

δ δδ δ

Ir V

E IrIc

Diagrama eléctrico de un

cable de energía

RC


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GRADIENTE O CAMPO ELECTRICOEN EL AISLAMIENTO

Campo ó

eléctrico

Gradiente

dD

equipotenciales

Vo =Tensión de fase a tierraGmax = Gradiente máximo (interfase semiconductor interno con aislamiento)

Aislamiento

=

d DdLn

VoGmax

2


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ESPESOR DE AISLAMIENTO DE CABLES

Tipo decable

Calibre delconductor

(mm2- AWG

ó kCM)

Voltajeentrefases

(kV)

Gradientemáximo

(kV / mm)

Espesor deaislamiento

(mm)

THHW 2.08 – 14 0.6 0.63 0.76

Media 8.37 – 8 5 0.63 14

CON EL GRADIENTE DE UN THHW 600 V

tensión

100 % N.A.

Mediatensión

100 % N.A.

33.6 – 2 15 0.63 105

Media

tensión100 % N.A.

53.5 – 1/0 35 0.63 2 500

Alta tensión 380 - 750 115 0.63 40 000


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GRADIENTE MAXIMO EN CABLES

Tipo decable

Calibre delconductor

(mm

2

- AWGó kCM)

Voltajeentre fases

(kV)

Norma defabricación

Espesor deaislamiento

(mm)

Gradientemáximo

(kV / mm)

THHW 2.08 – 14 0.6 NOM-063-SCFI

0.76 0.63

DE DIFERENTES VOLTAJES

tensión100 % N.A.

. – - - . .

Mediatensión

100 % N.A.

33.6 – 2 15 NMX-J-142 4.45 2.85

Mediatensión

100 % N.A.

53.5 – 1/0 35 NMX-J-142 8.8 3.92

Alta tensión 380 - 750 115 NMX-J-142 20.3 5.41


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CARACTERISTICAS DE LOS PRINCIPALES AISLAMIENTOS

PVC

(Policlorurode Vinilo)

PE

(Polietileno)

XLPE

(Polietilenode Cadena

Cruzada)

EPR

(Etileno –Propileno)

Papelimpregnado

en aceite

Temperatura máxima deoperación (°C)

75 75 90 90 85

Temperatura máxima desobrecar a °C

105 85 130 130 100

EMPLEADOS EN CABLES

Temperatura máxima decorto circuito (°C) 150 150 250 250 150

Constante Dielectrica (a 60Hz y temperatura deoperación)

4 – 8 2.3 2.5 3.0 3.9

Tan δδδδ (a 60 Hz y temperatura

de operación)

0.09 0.001 0.001 0.015 0.011

Constante K de resitencia deaislamiento (a 15.6 °C )(MΩΩΩΩ-km)

750 15 250 6 100 6 100 1 000


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VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA VOLTAJE Y CAMPO ELECTRICO EN CABLES SIN PANTALLA

METALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTO

Dos cables aislados próximos

Cable aislado en una

canalización aterrizada


Líneas de campo eléctrico


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PANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA METALICA SOBRE AISLAMIENTO

- La función principal de la pantalla metálica sobre aislamiento esconfinar al campo eléctrico al interior del aislamiento, es decir que no exista

diferencia de potencial con respecto a tierra en la superficie exterior del cable

USO:USO: En circuitos contensiones de 5 kV ymayores..

CABLE SIN PANTALLACABLE CON PANTALLA

ATERRIZADA

Voltaje conrespectoa tierra

0 V


0 VCABLE CON PANTALLA

SIN ATERRIZAR


0 V


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PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTORPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE CONDUCTOR

Conductores

Líneas de campo

AislamientoSemiconductor


1- Presentar al aislamiento una superficie cilíndrica equipotencial,

Funciones:

para evitar concentraciones de campo eléctrico

Configuración del campopróximo al conductor con pantalla

Configuración del campo

próximo al conductor sin pantalla

HUECOPANTALLA

2- Presentar al aislamiento una superficie libre de huecos,para evitar descargas eléctricas que se presentan en ellos

USO: En circuitoscon tensiones de2 kV y mayores


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PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTOPANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE AISLAMIENTO

1- Presentar al aislamiento una superficie cilíndrica equipotencial,

Funciones:

para evitar concentraciones de campo eléctrico

2- Presentar al aislamiento una superficie libre de huecos,para evitar descargas eléctricas que se presentan en ellos

DISTRUBUCION DE CAMPO ELECTRICO EN UN CABLE CON PANTALLAS:

USO: En circuitos contensiones de 5 kV ymayores, siempre con lapantalla metálica.

metálica


Líneas de campo eléctrico


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CABLEO

DUCTOSECO

HUMEDO

CABLE O DUCTO EN INSTALACIONES

CAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLACAPACITANCIA A TIERRA VARIABLE EN UN CABLE SIN PANTALLA

METALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTOMETALICA SOBRE EL AISLAMIENTO

CONDUCTORASILAMIENTOCUBIERTA

ABLE

PLANO DE TIERRA

- La pantalla metálica sobre aislamiento trae como consecuencia una capacitancia atierra constante a lo largo del cable, lo que evita reflexiones de ondas de sobrevoltaje


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FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA FUNCIONES DE LA PANTALLA METALICA

1.- Propósito Electrostático- Confinar al campo eléctrico

al interior del aislamiento

2.- Conducir Corrientes deFalla de fase a tierra

Icc- Puede requerir una conductanciamayor que para propósitos electrostáticos

F

F

F

N3.- Pantalla neutro

- Opera como neutro: conductancia = 1/3 ó Full neutral


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VARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DEVARIANTES DEL DISEO DE

PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS PANTALLAS


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CALIBRES DE CONDUCTORES

AWG- Sus valores representan aproximadamente los pasos de estirado

- Un número mayor representa un alambre de menor diámetro

- Diámetro AWG n = 1.1229 x Diámetro AWG n+1

kCM ó kcmil- cmil = área de circulo de una milésima de pulg. de diámetro- kCM = 1000 cmil = 0.5067 mm2

φφφφ = 0.001”- Su valor representa el área transversal del conductor en cmil

mm2

- Su valor representa el área transversal del conductor en mm2

- Se usa en calibres mayores al 4/0 AWG

PROCESO DE ESTIRADO


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Proceso de cableado

Bunchado de cordones


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COMPOSICION QUIMICA DE LOS AISLAMIENTOS

Cloruro de Vinilo Etileno Propileno

Polimerización

Polietileno PE

Polietileno Alta Densidad

Celulosa(papel)

Polietileno Baja Densidad


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VULCANIZACION DE POLIMEROS

Materiales Termoplásticos = PVC , PE

Materiales Termofijos ó Vulcanizados = XLPE , EPR , CPE

Vulcanización

PE XLPE

Zonaamorfa

Zonaamorfa

Zonacristalina

Zona amorfasin vulcanizar

vulcanizada

Zona amorfa

Tipos de Vulcanización:- Química: Azufre, Peróxidos, Silanos

- Radiación: Rayos ββββ (electrones)


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VULCANIZACION DEL POLIETINENO MEDIANTE PEROXIDO

=

PROCESO DE EXTRUSION DE


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PROCESO DE EXTRUSION DEAISLAMIENTOS Y CUBIERTAS

DEFECTOS EN EL AISLAMIENTO QUE CONCENTRAN EL CAMPO


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Penetración deaislamiento ensemiconductor

DEFECTOS EN EL AISLAMIENTO QUE CONCENTRAN EL CAMPO

ELECTRICO Y REDUCEN LA VIDA ESPERADA DEL CABLE

Penetración desemiconductoren aislamiento

Cavidad o burbujaContaminante


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Fallas eléctricas de cables de 21 "utilities"

en U.S.A.

6

8

10

a s / 1 0 0 m i l l a s

HMWPE

0

2

4

1969 1972 1975 1978 1981 1984 1987 1990Año

N o .

d e f a l l

XLPE

Causa de incremento de fallas = formación de arborescencias de agua

Ñ


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ARBORESCENCIAS DE AGUA TEÑIDAS EN CABLES EXTRUIDOS

“Ventiladas” Arborescencia eléctrica dentro de una de agua

Tipo “corbata de moño” Tipo “corbata de moño”


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CARACTERISTICAS DE LAS ARBORESCENCIAS

1- QUIMICAS:

- Se forman en ambientes con azufre que reacciona con el cobre del conductor y penetranen el aislamiento del cable.

- Tienen forma de “brócoli”.

- No se producen en conductores de aluminio.

2- ELECTRICAS:

- Se forman a partir de contaminantes, cavidades e irregularidades en la superficie de los semiconductores.

- Re uieren concentraciones de cam o eléctrico ma or ue las de a ua ara su formación.

- Semejan árboles sin hojas y son canales huecos carbonizados.

3- DE AGUA:

- Requieren la presencia de agua y concentraciones de campo eléctrico menor que las eléctricaspara su formación.

- Se pueden formar a partir de arborescencias de agua.

- Se forman a partir de contaminantes, cavidades e irregularidades en la superficie de los semiconductores.

- Se cree que son “racimos” de microcavidades.

- Se aprecian solo cuando son teñidos y su apariencia es de manchas.

ARBORESCENCIAS ELECTRICAS


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ARBORESCENCIAS ELECTRICAS

En cables de papel “Ventiladas” en cables extruidos

Perforando el aislamiento de un cable extruido De “corbata de moño” en cable extruido

ALTERNATIVAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL DESEMPEÑO


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ALTERNATIVAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL DESEMPEÑO

1- Materiales

DE LOS CABLES CON AISLAMIENTO EXTRUIDO

- Aislamientos más limpios y más resistentes al agua.

- Compuestos semiconductores más limpios y más lisos

(para reducir las irregularidades en la interfase con el aislamiento)Rugosidad de semiconducotres:- Convencionales aprox. 1 micra (0.00004 in.).- Super lisos aprox. 0.2 micras (0.000008 in.).

2- Procesos de fabricación

3- Barreras para eliminar el ingreso de agua

- Triple extrusión “real”

- Curado en seco

- Cuartos “limpios” para manejo y mezclado de materiales

- Barreras contra el ingreso longitudinal de agua en conductor y pantalla metálica

- Barreras contra el ingreso radial de agua (cubiertas)

RESISTENCIA AL AGUA DE LOS AISLAMIENTOS


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RESISTENCIA AL AGUA DE LOS AISLAMIENTOS

RIGIDEZ DIELECTRICA A TEMPERATURAAMBIENTE

30

40

50

60

e r u p t u r a ( k V

/ m m )

XLP

XLP-TR

* Método de prueba de acuerdo a AWTT de AEIC:

- Muestras de cable de 15 kV 100 % N.A. 1/0 AWG Al, L= 4 m- Envejecido a 26 kV y ciclos térmicos 90 °C- Cada punto en la gráfica es el promedio de 5 valores.

0

10

20

0 4 8 12

Tiempo de envejecido en agua (meses)

G r a d i e n

t e

PROCESO DE TRIPLE EXTRUSION 2 + 1


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Y VULCANIZADO EN VAPOR

TRIPLE EXTRUSION REAL


47/136

TRIPLE EXTRUSION REAL


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PROCESO DE CURADO EN SECO

SISTEMA DE CUARTOS LIMPIOS


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PARA EL MANEJO DE COMPUESTOS

COMPARACION DE LA VULCANIZACION EN NITROGENO CONTRA VAPOR


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VAPOR SATURADO

0.0

50.0

100.0

150.0

200.0250.0

300.0

350.0

400.0

T e m p e r a t u r a ( ° C )

T e m p e r a t u r

a ( ° C )

Presión (MPa)

NITROGENO:

- Temperatura independiente de la presión

- Calor transferido por radiación del tubode vulcanización

- Apariencia superficial tersa

VAPOR:

- Temperatura depende de la presión.

- Calor transferido por contacto conel vapor

- Apariencia superficial rugosa porcondensación de gotas de aguadurante el proceso

A altas temperaturas la alta presióndeforma la superficie entreaislamiento y semiconductor interno

1 MPa ˜ 10 kg / cm2=

Presión mínnima para evitarformación de cavidades= 0.39 MPa ( 4 kg / cm2 )

COMPARACION DE LA VULCANIZACION EN NITROGENO CONTRA VAPOR( CONTINUACION)


51/136

1

10

100

1000

10000

100000

0 5 10

Tamaño de cavidad micro-m

N ú m e r o

d e c a v i d a d e s p o r m m 3

VAPOR

NITROGENO

( CONTINUACION)

CONTEO DE CAVIDADES EN XLPE (1)

Notas:

1- Realizado con equipo de

0

20

40

60

80

100

120

140

43 72 50 115

Gradiente máximo (kV/mm)

P r o b a b i l i d a d d e f a l l a ( % )

VAPOR C.A. EN

ESCALON

NITROGENO C.A.

EN ESCALON

VAPOR EN

IMPULSO

NITROGENO EN

IMPULSO

3

5

12

22

40

60

82

96

40 50 62 80 100 125 160 200

RIGIDEZ DIELECTRICA EN CABLES DE XLPE(2)

.

2- Realizado en cables deXLPE de 6.35 / 11 kV

MEZCLADO TRADICIONAL DE EPR


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Y EMPAQUE EN ROLLOS

MEZCLADO DE EPR EN CUARTOS LIMPIOSCON MANEJO DE MATERIALES AUTOMATIZADO


53/136

CON MANEJO DE MATERIALES AUTOMATIZADOY EMPAQUE EN PELLETS

PROCESO DE SELLADO DEL CONDUCTOR CONTRA EL INGRESO DE AGUA


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Conductor sin sellarConductor sellado contra

el ingreso de agua

NUEVO DISEÑO DE CABLES DE ENERGIA


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Recubrimiento en

cinta de aluminiopara adherirsea cubierta de PE

Cinta de aluminio

aplicada longitudinalmentecon traslape(Barrera radial)

Pantallassemiconductoras

Pantallametálica

(Barrera longitudinal)Cubierta de PE(Barrera radial)

Cinta hinchablesemiconductora

(Barrera longitudinal)

ConductorSellado

* Estas cintas se hinchan al entrar en contacto con el agua formando un tapón.

* Aislamientode XLPE

El CAMPO MAGNETICO


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campoma nético B

imán

S

N

S

N

Polos diferentes se atraen Polos iguales se repelen

S

N S

N

TODAS LAS CARGAS ELECTRICAS EN MOVIMIENTOPRODUCEN UN CAMPO MAGNETICO


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PRODUCEN UN CAMPO MAGNETICO

corriente

campo magnético oinducción magnéticaB (tesla = T )

Conductor deelectricidad

eléctrica I(ampere = A)

Conductor deelectricidad

campo

magnético B

Corrienteeléctrica I

INDUCCION DE CORRIENTE O VOLTAJE (FUERZA


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INDUCCION DE CORRIENTE O VOLTAJE (FUERZAELECTROMOTRIZ) EN UN CIRCUITO CERRADO

CUANDO SE MUEVE UN IMAN CERCA DE EL

movimiento delimán

vólmetro ó ampermetrodetectan voltaje o corriente,

respectivamente

0+-

A ó V

alambre conductorformando un circuitocerrado o una bobina

imán

FLUJO MAGNETICO EN UN AREA


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FLUJO MAGNETICO EN UN AREA

Area = A

Campo Magnético B

ΦΦΦΦ = Flujo Magnético = B x A weber (Wb) = tesla (T) x m2

Cuando el campo no es constante en toda el área: ΦΦΦΦ = ∫∫∫∫ B dA

FUERZA ELECTROMOTRIZ GENERADA POR UN FLUJOMAGNETICO VARIABLE EN EL TIEMPO


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Area = A

Campo Magnético Bvariable en el tiempo

Fuerzaelectromotrizinducida

dΦΦΦΦ

Cuando en un área existe un flujo magnético que varía con el tiempo, seinduce una fuerza electromotriz (voltaje) alrededor de dicha área.

Matemáticamente:dt

Fem ó V =

em =

(volts =V)

Variación del flujo magnético

Tiempo transcurrido=

SI ALREDEDOR DEL AREA, EN LA QUE EXISTE UN FLUJOMAGNETICO VARIABLE CON EL TIEMPO, HAY UN CAMINO

CONDUCTOR (COMO UN ALAMBRE METÁLICO), VA A CIRCULAR


61/136

CORRIENTE ELECTRICA POR EL

Area = A

Campo Magnético Bvariable en el tiempo

Corriente eléctricainducida I

Fuerzaelectromotrizinducida Trayectoria conductora

rodeando al área A

UN CIRCUITO CERRADO POR EL QUE CIRCULA UNACORRIENTE VARIABLE CON EL TIEMPO GENEREA UN


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Area A(flujo magnético ΦΦΦΦ)

Campo Magnético B

FLUJO MAGNETICO VARIABLE CON EL TIEMPO Y POR

CONSIGUIENTE UNA FUERZA ELECTROMOTRIZ

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

0 1 2 3 4 5 6

Circuito conductor cerradoo anillo conductor

Corriente eléctrica I

CORRIENTE ALTERNA

tiempo

c o r r i e n t e

I

INDUCTANCIAEL FLUJO MAGNETICO EN UN CIRCUITO CERRADO ES


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Area = ACampo Magnético B

EL FLUJO MAGNETICO EN UN CIRCUITO CERRADO ES

PROPORCIONAL A LA CORRIENTE. A LA CONSTANTE DEPROPORCIONALIDAD SE LE LLAMA INDUCTANCIA L

ΦΦΦΦ = L I weber (Wb) = henry (H) x ampere (A)

Flujo magnético ΦΦΦΦ

Circuito conductor cerradoCorriente eléctrica I

BOBINA


64/136

NI

campomagnético B

Una bobina es un alambre enrollado en varias vueltas.

Al pasar corriente por ella se convierte en un imán

N

S

bobina imán

SNΦΦΦΦ = L I

donde:

N = número de espiras en la bobinaΦΦΦΦ = flujo magnético (webber)L = inductancia (henry)I = corriente (amperes)

DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES MAGNETICOS

corriente I corriente I


65/136

corriente I

Campomagnetico B

corriente I

materialferromagnético

Al introducir un material dentro de una bobina se altera su inductancia:L = µµµµr Lo

µµµµr < 1; µµµµr ≅≅≅≅ 1 = diamagnéticos

µµµµr > 1; µµµµr ≅≅≅≅ 1 = paramagnéticos

µµµµr >> 1 = ferromagnéticos Magnéticos

Diferentes tipos de materiales:

No magnéticos

Los materiales ferromagnéticos incrementan el flujo magnético en la bobina

µµµµr = permeabilidad magnética relativadel material

EL TRANSFORMADORnúcleo de hierro


66/136

Vp Vs

Ip Is

Z

bobina delprimario bobina delsecundariocampo

magnético B

corrientealterna carga oimpedancia

Vp, Ip = voltaje y corriente en el primario, respectivamente

Vs, Is = voltaje y corriente en el secundario, respectivamente

Vs Ns

Vp NpVp Ip = Vs Is=

Np, Ns = número de espiras del primario y secundario, respectivamente

núcleo de hierroEL TRANSFORMADOR (continuación)

I Is


67/136

bobina del bobina delcampo

carga oimpedancia

M

ZLp Ls

Fuente decorrientealterna

Ip Is

magnético B

Np, Ns = número de espiras del primario y secundario, respectivamente

Lp, Ls = inductancia propia del primario y secundario, respectivamente

Ip, Is = corriente del primario y secundario, respectivamente

M = inductancia mutua

ΦΦΦΦab = flujo magnético en el devanado “a” debido a la corriente en el devanado “b”

NpΦΦΦΦpp = Lp Ip NsΦΦΦΦss = Ls Is NpΦΦΦΦps = M IsNsΦΦΦΦsp = M Ip

ΦΦΦΦps = ΦΦΦΦss ΦΦΦΦsp = ΦΦΦΦppTransf. con núcleo de hierro:

RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNARESISTENCIA


68/136

I

VR

V = voltaje (volts)

I = corriente (amperes)R = Resistencia (ohms)

RI V =

RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNABOBINA EN CORRIENTE ALTERNA


69/136

I

VL

V = voltaje (volts)

I = corriente (amperes)

L = inductancia (henrys)

f = frecuencia de la onda senoidal (60 Hz para la frecuencia en lacual la potencia es transmitida)

XL= reactancia inductiva (ohm) = 2 ππππ f L

I jX fLI jV L== π 2

RELACION ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN UNCAPACITOR EN CORRIENTE ALTERNA


70/136

I

V C

V = voltaje (volts)

I = corriente (amperes)

C = Capacitancia (farads)f = frecuencia de la onda senoidal (60 Hz para la frecuencia en lacual la potencia es transmitida)

XC= reactancia capacitiva (ohm) = 1/(2 ππππ f C)

I jX fC j

I

V C −== π 2

CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIA

∆∆∆∆V (cable)


71/136

I

IC

XLR

XCEg Er

- Los cables aislados generalmente tienen una longitud de 5 km ó menos, por lo


r g E V E +∆=

Eg = Tensión de envío (V).∆∆∆∆V = Tensión que “se cae” en el cable (V).

Er = Tensión de recepción (V).

R = Resistencia del conductor (ohm).

L jX R Z +=

I I C


72/136

sobre conductor =

electrodo interno

sobre aislamiento =

electrodo externo

Vo

Vo

C = Capacitancia del cable (F/km).

Er = Constante dieléctrica del aislamiento (sin unidades).

da = Diámetro sobre aislamiento (mm).

dp = Diámetro bajo aislamiento (mm).

6

10

10

log

0241.0 −

= x

dp

da Er C

fCLV I π 2=

I = Corriente capacitiva en el cable (A).

f = Frecuencia del sistema (60 Hz).


Vo = Voltaje de fase a tierra del sistema (V).

CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIAcontinuación



73/136

Fórmula aproximada de caída de tensión (%):

IXLR

EgEr

r g E V E +∆=

100100% LI Z V

V =∆

=∆

IZI = Impedancia del cable(ohm/km) =

R = Resistencia del conductor (ohm/km).

XL =Reactancia inductiva del conductor (ohm/km).


Eg = Tensión de envío de fase a tierra (V).

Egf = Tensión de envío de fase a fase (V).

∆∆∆∆V = Tensión que “se cae” en el cable (V).

Er = Tensión de recepción de fase a tierra (V).

I = Corriente en el conductor del cable (A).

10031003% Egf

I L Z Egf

V V =∆

=∆

22

L X R Z +=

CAIDA DE TENSION E IMPEDANCIAcontinuación



74/136

IXLR

EgEr

r g E V E +∆=

Eg

carga

IXL

EgI

IXLEg

Factor de potencia atrasado(cargas inductivas):

Factor de potencia unitario(cargas resistivas):

Factor de potencia adelantado(cargas capacitivas):

R = Resistencia del conductor (ohm/km).

XL =Reactancia inductiva del conductor (ohm/km).


cosθθθθ = Factor de potencia de la carga.

∆∆∆∆V = Caída de tensión en el cable al neutro (V).Eg = Tensión de envío de fase a tierra (V).

Er = Tensión de recepción de fase a tierra (V).

I = Corriente en el conductor del cable (A).

Fórmula exacta de caída de tensión al neutro para líneas cortas (V):

( ) ( )[ ] Er ILX sen E ILR E V Lr r −+++=∆ 21

22cos θ θ

I

IR

IXLEr

I IREr

IREr

RESISTENCIA ELECTRICA DE UN ALAMBREEN CORRIENTE DIRECTA


75/136

Corriente eléctricaA

L

Rcd = ρρρρ

A

Rcd = resistencia del alambre a la corriente directa a 20 °C (ohm)ρρρρ = resistividad eléctrica del material del alambre a 20 °C (ohm-mm 2/ km)

L = longitud del alambre (km)

A = área transversal del alambre (mm2)

RESISTENCIA ELECTRICA DE UN CABLE ENCORRIENTE DIRECTA


76/136

Corriente eléctrica

A

longitud de alambre mayora longitud del cableL

Rcd = ρρρρ c

ARcd = resistencia del cable a la corriente directa a 20 °C (ohm)

ρρρρ = resistividad eléctrica del material del cable a 20 °C (ohm-mm 2/ km)

L = longitud del cable (km)

A = suma de las áreas transversales de los alambres (mm2)

Pc = factor de corrección por pérdidas por cableado ( paraconductores clase B = 1.02)

INCREMENTO DE LA RESISTENCIA EN CORRIENTEDIRECTA CON LA TEMPERATURA


77/136

30

40

50

Temperatura(°C)

T

-20

-10

0

10

Ro R

Resistencia(ohms)

To

R = Ro ( 1 + αααα ( T - To ) )

R = resistencia del cable a la temperatura T (ohm)Ro = resistencia del cable a la temperatura To (20 °C) (ohm)αααα = coeficiente térmico de resistividad eléctrica a 20 °C (1/°C)

RESISTENCIA EN CORRIENTE ALTERNA

Rca = Rcd(1 + Ys + Yp)


78/136

Rca = Rcd(1 + Ys + Yp)

Rca = resistencia en corriente alterna a la temperatura de operación (ohm)

Rcd = resistencia en corriente directa a la temperatura de operación (ohm)

Ys = factor de corrección por efecto piel

Yp = factor de corrección por efecto proximidad

conductor

efecto piel efecto proximidad

campo magnético B

corriente alterna I

concentración de lacorriente

FACTOR DE CORRECCION POR EFECTO PIEL

Xs4


79/136

Ys =Xs

192 + 0.8 Xs4

Xs2 = 8 ππππ fRcd 10-4 ks

Ys = factor de corrección de la resistencia por efecto pielf = frecuencia del sistema (Hz). Para sistemas de transmisiónde potencia = 60 Hz

Rcd = resistencia del conductor en c.d. corregida a la temperatura deoperación (ohm/ km)

Tipo de conductor ks

Redondo 1.0

seg m en tal ( 4 seg m en to s) 0.4 35

FACTOR DE CORRECCION POR EFECTO PROXIMIDAD


80/136

Yp =Xp4

192 + 0.8 Xp4

Xp2 = 8 ππππ fRcd

10-4 kp

Yp = factor de corrección de la resistencia por efecto proximidad

dcs

2( ) dcs

2

( )0.312 +1.18

+ 0.27Xp4

192 + 0.8 Xp4

= recuenc a e s stema z . ara s stemas e transm s n

de potencia = 60 HzRcd = resistencia del conductor en c.d. corregida a la temperatura deoperación (ohm/ km)dc = diámetro del conductor (mm)

s = distancia entre ejes de los conductores (mm)

Tipo de conductor kp

Redondo 1.0segmental ( 4 segmentos) 0.37

INDUCTANCIA DE DOS CILINDROS HUECOSPARALELOS DE PARED MUY DELGADA QUE

TRANSPORTAN CORRIENTES OPUESTAS


81/136

R

Corriente I

R

O

Corriente IS

Campo magnético B

Inductancia individual = L = 2 x 10-4 Ln( ) henry / kmSRDonde:

S = Separación entre centros de cablesR = Radio del cilindro hueco

INDUCTANCIA DE DOS CONDUCTORESPARALELOS SOLIDOS O CABLEADOS QUETRANSPORTAN CORRIENTES OPUESTAS


82/136

r r

S

Conductor sólido o cableado

Corriente I O Corriente I

RMG = Radio medio geométrico = Radio equivalente de conductor cilíndrico hueco para el que todo el flujo magnético es externo.

Construcción del conductor RMG

Alambre sólido

Cable de un solo material

7 hilos19 hilos37 hilos61 hilos91 hilos

127 hilos

0.779 r

0.726 r0.758 r0.768 r0.772 r0.774 r0.776 r

Inductancia individual = L = 2 x 10-4 Ln( ) henry / kmSRMG

r = radio del conductor

INDUCTANCIA INDIVIDUAL PARA VARIASCONFIGURACIONES DE CABLES

(henry / km)


83/136

TENSION INDUCIDA EN LAS PANTALLAS METALICAS CUANDOESTAN UNIDAS EN UN PUNTO

conexión eléctrica de


84/136

pantallametálica

campomagnético B

las pantallas metálicas

conductormetálico

corriente en

el conductorIc

tensióninducida enlas pantallasmetálicasVp

CIRCUITO EQUIVALENTE DE CONDUCTOR Y PANTALLA, CONLAS PANTALLAS ABIERTAS (UNIDAS EN UN SOLO PUNTO)

I


85/136

∆∆∆∆E VP

XM

XL XP

≈≈≈≈

conductor pantalla

VP = Voltaje inducido en la pantalla∆∆∆∆E = voltaje en el conductor

P

XL, XP = Reactancia inductiva propia de conductor y pantalla, respectivamenteR, RP = resistencia de conductor y pantalla, respectivamente

I = corriente en el conductorXM = Reactancia inductiva mutua entre el conductor y las pantallas

RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CABLES CON LASPANTALLAS ABIERTAS O UNIDAS EN UN SOLO PUNTO

I


86/136

∆∆∆∆E

R

XL

∆∆∆∆E = ( R2 + XL2)1/2 I

conductor∆∆∆∆E = Tensión en el conductor, en volts / km

I = Corriente en el conductor, en amperesR = Resistencia del conductor en corriente alterna a la

temperatura de operación, en ohm / kmXL = Reactancia inductiva del conductor, en ohm /km = 2 ππππ f L L = Inductancia del conductor, en henry /km f = frecuencia de la corriente alterna, enhertz (60 hertz)

CORRIENTE INDUCIDA EN LAS PANTALLAS METALICASCUANDO ESTAN UNIDAS EN DOS PUNTOS

conexión eléctrica de


87/136

pantallametálica

campomagnético B

las pantallas metálicas

conductormetálico

corriente en

el conductorIc

corriente

inducida enlas pantallasmetálicas Ip

CIRCUITO EQUIVALENTE DE CONDUCTOR Y PANTALLA,CON LAS PANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS

IPX

I


88/136

∆∆∆∆E

M

R

XL XP

RP

unión de las

pantallas

≈≈≈≈

conductor pantalla

XL, XP = Reactancia inductiva propia de conductor y pantalla, respectivamenteR, RP = resistencia de conductor y pantalla, respectivamente

I = corriente en el conductorXM = Reactancia inductiva mutua entre el conductor y las pantallas

IP = corriente inducida en la pantalla∆∆∆∆E = Tensión en el conductor

RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CABLES CON LASPANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS


89/136

∆∆∆∆E

R

XLA

I

∆∆∆∆E = ( RA2 + XLA2)1/2 I

conductor

∆∆∆∆E = Tensión en el conductor, en volts / kmI = Corriente en el conductor, en amperes RA= Resistencia aparente del conductor en corriente alterna a la

temperatura de operación, en ohm / kmXLA = Reactancia inductiva aparente del conductor, en ohm / km

RESISTENCIA Y REACTANCIA APARENTES DE CABLES CON LASPANTALLAS UNIDAS EN DOS O MAS PUNTOS EN CONFIGURACIÓN

EQUILATERA

2RX 3X


90/136

RA = Resistencia aparente del conductor en corriente alterna a la temperatura de operación,en ohm / km

R = Resistencia del conductor en corriente alterna a la temperatura de operación, en ohm / kmRp = Resistencia eléctrica de la pantalla a la temperatura de operación, en ohm / kmXLA = Reactancia inductiva aparente del conductor, en ohm / kmXL = Reactancia inductiva del conductor, en ohm / km

22

2

P M

P M

R X

R X R RA

++=

22

3

P M

M L L

R X

X X A X

+−=

XM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en ohm / km

fM X M π 2=M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)

=

−

or

S

Ln x M

4

102

S = Separación entre centros de cables, en mmro = Radio medio de la pantalla, en mm

ro

SS

S

pantallaconductor

TENSION INDUCIDA EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS EN CIRCUITO

ABIERTO - ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO)


91/136

SS

pantallaconductor IcL X Ep M =

Ep = Tensión inducida en la pantalla del cable, en voltsI = Corriente en el conductor de cada cable, en amperesXM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en

ro

S

ohm / km

fM X M π 2=

M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)


=

−

or S Ln x M 4102

TENSION INDUCIDA EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS EN CIRCUITO

ABIERTO - ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO) -

CONTINUACIÓN


92/136

- Al aumentar la distancia de separación entre los centros de loscables aumenta la reactancia mutua XM, por lo tanto aumenta la

tensión inducida en la pantalla metálica.- Al aumentar la corriente que circula por el conductor, aumenta latensión inducida en la pantalla.

-

CONTINUACIÓN IcL X Ep M =

cable:

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20

Ep

L

XM e Ic = constantes

00

CALOR GENERADO EN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POREFECTO JOULE


93/136

2

corriente Iconductor

Donde:

Wc = Calor generado en el conductor, en watts / km

Ic = Corriente eléctrica en el conductor, en amperesRc = Resistencia del conductor en corriente alterna a latemperatura de operación, en ohm / km

CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE POREFECTO JOULE (PANTALLAS SOLIDAMENTE UNIDAS O

ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)

pantalla metálica


94/136

corriente I

R I W 2=

pantalla metálica

Donde:Wp = Calor generado en la pantalla, en watts / kmIp = Corriente eléctrica en la pantalla, en amperesRc = Resistencia de la pantalla a la temperatura deoperación, en ohm / km

CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE ENFORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTE

UNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)

22XRRIW


95/136

SS

pantallaconductor

λλλλ = Fracción de perdidas de pantalla a conductorWp = Calor generado en la pantalla, en watts / kmWc = Calor generado en el conductor, en watts / kmRp = Resistencia de la pantalla, en ohm / km

22

2

2

2

P M

M

c

P

cc

p p

R X

X

R

R

R I

R I

Wc

Wp

+===λ

ro

S

,XM = Reactancia mutua entre el conductor y la pantalla, en

ohm / km

fM X M π 2=

M = Inductancia mutua entre el conductor y la pantalla, en henry / kmf = frecuencia de la corriente alterna, en hertz (60 hertz)


= −

or S Ln x M 4102

GRAFICA DE FRACCION DE PERDIDAS DE PANTALLA A CONDUCTOR ENUN CABLE EN FORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTEUNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS) EN FUNCION DE LA

REACTANCIA MUTUA

22

MP p p XRRIWpλ


96/136

2.000

3.000λλλλ

R R = constantes

222

P M

M

c

P

cc

pp

R X

X R R

R I R I

WcWp

+===λ

- Al aumentar la distancia de separación entre los centros de los cables aumenta lareactancia mutua XM, por lo que aumenta el calor generado en la pantalla metálica

0.000

1.000

0.05 0.15 0.25 0.35 0.45 0.55 0.65 XM00

GRAFICA DE FRACCION DE PERDIDAS DE PANTALLA A CONDUCTOR ENUN CABLE EN FORMACION EQUILATERA (PANTALLAS SOLIDAMENTEUNIDAS O ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS) EN FUNCION DE LA

RESISTENCIA DE LA PANTALLA METALICA

22MP p p XRRIWpλ


97/136

1.500

2.000

λλλλ

c

M

R

X

2max =λ

XM y Rc = constantes

222

P M

M

c

P

cc

pp

R X

X

R

R

R I

R I

Wc

Wp

+===λ

- Rp generalmente es mayor que XM, por lo que al disminur Rp aumentan las perdidas.- En algunos casos el calor generado en la pantalla puede ser mayor que el generado en elconductor

0.000

0.500

.

0 0.5 1 1.5 2

Rp00

M X Rp =

ARREGLO DE FASES EN SISTEMASDE VARIOS CABLES POR FASE

- Todos los cables de una fase deben tener prácticamente la misma impedanciapara evitar que alguno de ellos transmita más corriente y se sobrecaliente.

- No es tan importante que los cables de diferentes fases tengan la misma


98/136

- Los cables se deben agrupar en sistemas de acuerdo a lo siguiente:

- cada sistema debe contener las tres fases.

- separación entre sistemas debe ser mucho mayor que la distancia entrecentros de cables.

p q gimpedancia, al menos en líneas cortas (< 10 km).

A) CABLES EN FORMACION PLANA

ABCA B C A B C

BBBA A A C C C

CBAA B C A B C

- los sistemas tienen solo una fase

- mala secuencia de fases

- secuencia de fases correcta


(segunda parte)


99/136

- los sistemas tienen solo una faseB B B

C C C

A A A

A B C

- secuencia de fases correctaABC

A B C

- mala secuencia de fases

A B C

A B C


(tercera parte)

B) CABLES EN FORMACION TREBOL


100/136

B) CABLES EN FORMACION TREBOL

AA

A CC

CBB

B - los sistemas tienen solo una fase

A C A C

ABC ABC ABC

A C - Mala secuencia de fases

- Secuencia de fases correcta

- Por seguridad las pantallas metálicas deben estar siempre aterrizadasal menos en un punto.

ATERRIZAJE DE LAS PANTALLAS METALICAS

pantalla

conductor


101/136

- Prácticas de seguridad en diseño, construcción, operación y

mantenimiento deben basarse en el principio que el voltaje en la pantallametálica de cables de transmisión debe ser considerado análogo al decables de baja tensión sin pantalla.

- El método que proporciona mayor seguridad en una instalación es elaterrizaje de las pantallas en dos o más puntos, ya que no existe un voltajeneto inducido en ellas. Sin embargo con este método circula corriente enlas pantallas y se producen pérdidas por calor en ellas.

corriente I

Rp IpWp 2

=

pantalla metálica

EQUIVALENCIA DE TRANSFERENCIA DECALOR CON UN CIRCUITO ELECTRICO

(ley de Ohm térmica)


102/136

Q

T1T2 T2 T1Rt

Q

t =

∆∆∆∆T = Diferencia de temperaturas entre punto 2 (T2) ) y el punto 1 (T1), en °C (= T2 – T1)Rt = Resistencia térmica total entre el punto 1 y el punto 2, °C-m/W.

Q = Calor transmitido entre el punto 2 y el punto 1, en W/m.

RI V =

V = Diferencia de potencial, en volts = V2 – V1.R = Resistencia eléctrica, en ohms.

I = Corriente eléctrica, en amperes.

V2 V1R

I

CALOR GENERADO EN EL CONDUCTOR DE UN CABLE POREFECTO JOULE

conductor


103/136

2

corriente I

Donde:

Wc = Calor generado en el conductor, en W / mI = Corriente eléctrica en el conductor, en amperes

R = Resistencia del conductor en corriente alterna ala temperatura de operación, en ohm / m

corriente I

CALOR GENERADO EN LA PANTALLA DE UN CABLE POREFECTO JOULE (PANTALLAS SOLIDAMENTE UNIDAS O

ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS)pantalla metálica


104/136

Rp IpWp 2=Donde:

Wp = Calor generado en la pantalla, en W / m

Ip = Corriente eléctrica en la pantalla, en amperes

Rp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación, en ohm / m

Rc I

Rp Ip

Wc

Wp2

2

==λ

Donde:

λλλλ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor, sin unidades.Wc = Calor generado en el conductor, en W / m

R = Resistencia eléctrica del conductor a la corriente alterna a la temperatura de operación, en ohm/m

I = Corriente circulando en el conductor, en amperes.

R I Wp 2λ =

CALOR GENERADO EN EL AISLAMIENTO DEL CABLE POREFECTO JOULE


105/136

22

Vo δ 1

tan =

Vo

Ra

Donde:Wd = Calor generado en el aislamiento, en W/m

Vo = Voltaje al que está sometido el aislamiento que es igual al voltajede fase a tierra del sistema, en V.

C = Capacitancia del cable, en F /m

f = Frecuencia del sistema, en Hz (60 Hz)

Ra = Resistencia de aislamiento, en Ohm-m

tan δδδδ = Factor de pérdidas del aislamiento, sin unidades.

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES CONGENERACION DE CALOR SOLO EN EL CONDUCTOR

∆∆∆∆T = Diferencia de temperatura entre el conducto (Tc) y el

∑=∆ Rt QT

Ta

Q = I2R

Rte


106/136

ambiente (Ta) (°C) = Tc-Ta

Q = Calor generado en el conductor por efecto Joule (W) = I2R

I = Corriente en el Conductor (A)

R = Resistencia eléctrica del conductor (ohm/m)∑∑∑∑Rt = Suma de las resistencias térmicas entre el conductor y el

ambiente (°C-m/W)

Ta

Tc

=− ac

∑ ++=

Rte Rtc Rta Rt

( ) Rte Rtc Rta R

TaTc I

++

−=

Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubierta

y exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)

Rta Rtc

TcRta

Q=I2R

Tp TaTeRtc

Q=I2R

Rte

Q=I2R

Tp = Temperatura en la pantalla metálica (°C)

Te = Temperatura sobre la cubierta del cable (°C)

( )( ) )(122 Rte RtcWd R I RtaWd R I TaTc ++++

+=− λ

I2R

Rte

Wd

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES CONGENERACION DE CALOR EN EL CONDUCTOR, EN EL

AISLAMIENTO Y EN LA PANTALLA METALICA


107/136

Tc = Temperatura del conductor (°C)

Ta = Temperatura ambiente (°C)

I = Corriente en el conductor (A)

R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura de operación (ohm/m)

Wd = Calor generado en el aislamiento (Wm)

( )( ) )(2

TaTc

λλλλI2R

= e ac n e p r as en re pan a a y con uc or.

Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubierta

y exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)

( )( )( ) Rte Rtc Rta R Rte Rtc

Rta

Wd TaTc I

+++

++−−

=λ 1

2

Rta Rtc

Tc

Rta

Q=I2R

Tp TaTe

Rtc

Q=I2R

Rte

Q=I2R

λλλλI2RWd Wd

λλλλI2RWd

TRANSFERENCIA DE CALOR EN CABLES MULTICONDUCTORESCON GENERACION DE CALOR EN EL CONDUCTOR, EN EL

AISLAMIENTO Y EN LA PANTALLA METALICA

( )( ) )(12

22 Rte RtcWd R I N Rta

Wd R I TaTc ++++

+=− λ


108/136

Tc = Temperatura del conductor (°C)

Ta = Temperatura ambiente (°C)

I = Corriente en el conductor (A)R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura de operación(ohm/m)

Wd = Calor enerado en el aislamiento Wm

( )( ) )(2

λ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor.

Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, la cubiertay exterior del cable, respectivamente (°C-m/W)

N = Número de almas en el cable.

( )( )( )( ) Rte Rtc N Rta R

Rte Rtc N

Rta

Wd TaTc I +++

++−−

=λ 1

2

TaTe

Rtc

Q=I2R

Rte

Q=I2R

λλλλI2RWd

λλλλI2RWd

TcRta

Q=I2R

Tp

Wd

Tc

Rta

Q=I2R

Tp

Tc

Rta

Q=I2R

Tp

Q=I2R

λλλλI2R

WdQ=I2R

λλλλI2R

Wd

Q=I2R

λλλλI2

RWdQ=I2R

λλλλI2

RWd

Wd

Wd

CALENTAMIENTO DE LOS CABLES DEBIDO A OTROSCABLES CERCANOS QUE TRANSMITEN CORRIENTE

NIVEL DEL PISOSe puede considerar que el efecto delcalentamiento de otros cables incrementa la


109/136

FLUJO DECALOR

CABLES DUCTOS

calentamiento de otros cables incrementa latemperatura ambiente en la siguiente fórmula:

( )

( )( )( ) Rte Rtc N Rta R

Rte Rtc N RtaWd TaTc

I i

i

+++

++−

∆+−

=∑

λ

θ

1

2

Tc = Temperatura del conductor (°C).

Ta = Temperatura ambiente (°C).I = Corriente en el conductor (A).

R = Resistencia del conductor en c.a. a la temperatura deoperación (ohm/m).

Wd = Calor generado en el aislamiento (Wm).

λ = Relación de pérdidas entre pantalla y conductor.

Rta, Rtc y Rte = Resistencias térmicas del aislamiento, lacubierta y exterior del cable, respectivamente (°C- m/W).

N = Número de conductores en el cable.

∆θi = Incremento en la temperatura ambiente debido alcalentamiento del cable “i”.

TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASE ATIERRA EN SISTEMAS CON LAS PANTALLAS ATERRIZADAS EN DOS O MAS PUNTOS

pantallametálicaA) SIN NEUTRO CORRIDO:


110/136

corriente encorriente en

fallaconductor cargaB) CON NEUTRO CORRIDO:

corriente conductor detierra paralelo

pantalla transformador

conductor

TRAYECTORIA DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO CUANDO LA FALLADE FASE A TIERRA SE PRODUCE EN EL CABLE

corriente enconductor pantalla

metálicat i l


111/136

conductor

metálicaterminal

fallasecundario deltransformador corriente en pantalla circula hacia los puntos

de aterrizaje o conexión de pantallas

1- Aterrizaje en un punto.

METODOS PARA REDUCIR PERDIDAS EN LAS PANTALLAS

fase A

L/2L


112/136

2- Cross-bonding.

fase B

fase C

- Solo justificados por razones económicas - generalmente para corrientes mayores a 500 A- o en corrientes demasiado altas donde la generación de calor debe ser minimizada.

- Para la realización de estos métodos los empalmes (cuando existan) deben sercon interrupción de pantalla.

3L

fase A

fase B

fase C

fase Afase A

fase B fase B

fase C fase C

TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASE ATIERRA EN SISTEMAS CON LA PANTALLA ATERRIZADA EN UN SOLO PUNTO


113/136

falla

secundario deltransformador

carga

pantallametálica

terminal

corriente enconductor

corriente enconductor detierra paralelo

conductor

TRAYECTORIAS DE LA CORRIENTE DE CORTO CIRCUITO EN FALLA DE FASEA TIERRA EN SISTEMAS CON CROSS BONDING


114/136

falla

corriente enconductor conductor

terminal

corriente enpantallasecundario del

transformador

carga

pantallametálica

EN LOS SISTEMAS NO ATERRIZADOS NO CIRCULA CORRIENTE DE CORTOCIRCUITO EN CASO DE FALLA DE FASE A TIERRA

conductorterminal


115/136

carga

pantallametálica

secundario deltransformador sin

aterrizar

falla

En estos sistemas el voltaje de las pantallas se eleva al voltaje de la fase

fallada; y el aislamiento de las fases sin fallar es sometido al voltaje defase a fase en lugar del normal de fase a tierra.

Vff = (3)1/2 Vo = 1.73 Vo

Vff = Voltaje de fase a fase.

Vo = Voltaje de fase a tierra.

A

B

C

Vo

Vo

Vo

Vff

120 °

120 °120 °

NIVEL DE AISLAMIENTO EN FUNCIÓN DE EL TIEMPO DEDESCONEXIÓN DE FALLAS A TIERRA

El nivel de aislamiento se selecciona en función del tiempo de liberación de una falla a tierra:


116/136

100 %: Liberación de falla de fase a tierra en un tiempo menor o igual a un minuto.

173 %: Liberación de falla de fase a tierra en tiempo indefinido.133%: Liberación de falla de fase a tierra en un tiempo mayor a un minuto pero menor o igual auna hora.

x s en casos espec a es como ca es su mar nos o p an as s er rg cas que emp ean n ve esde aislamiento de 133 % o mayor.

Vff = (3)1/2 Vo = 1.73 Vo

Vff = Voltaje de fase a fase.

Vo = Voltaje de fase a tierra.

A

B

CVo

Vo

Vo

Vff

120 °

120 °120 °

DIMENSIONAMIENTO DE LA PANTALLA METALICA QUE VA A TRANSMITIRCORRIENTES DE CORTO CIRCUITO EN CASO DE FALLA DE FASE A TIERRA

corriente decorto

circuito

pantalla metálica


117/136

conductor

+

+

= BTi

BTf

t

S K I ln

222

I = Corriente de corto circuto que va a circular por la pantalla (A)

Material K (A s1/2 / mm2) B (°C)Cobre

AluminioPlomoAcero

2261484178

234.5228230202

=t = Duración del corto circuito (s)S = Area de la sección transversal de la pantalla metálica (mm2)Tf = Temperatura final que es la que soportan los elementos que

rodean a la pantalla metálica (generalmente se toma = 200 °C)Ti = Temperatura inicial (°C)B = Constante que depende del material de la pantalla (°C)

Voltaje nominaldel cable (kV)

Temperatura inicial dela pantalla (°C)

5 a 2535 a 46

69 a 115

858075

Valores de las constantes para diferentestipos de materiales

Temperatura inicial de la pantalla para cables contemperatura del conductor de 90 °C

PANTALLAS ATERRIZADAS EN UN PUNTO

conductor f A

L/2L


118/136

conductor

pantallametálica

terminal

fase A

fase B

fase C

limitadores devoltaje en pantalla

(cuando se

requiera)

Tensión inducida enextremo no aterrizado

conductor de tierraparalelo

- El conductor de tierra paralelo tiene la función de evitar que la corriente, en caso de falla a tierra,regrese por la tierra física, ya que esto induciría tensiones muy altas en la pantalla. También tiene la

función de igualar los potenciales de tierra los extremos de la instalación. El tamaño de este conductordebe seleccionarse de modo que soporte la corriente de falla del sistema.

- El conductor de tierra paralelo se transpone a la mitad del circuito para evitar que se induzcancorrientes en él.

COLOCACION DEL CONDUCTOR PARALELO DE TIERRA ENSISTEMAS CON PANTALLAS ATERRIZADAS EN UN SOLO

PUNTO

cableconductor

paralelo de tierra


119/136

paralelo de tierra

Configuración trébol Configuraci n plana cercana

Configuración plana separada

S S

0.7S

CROSS BONDING

conductor

punto de empalmede cables

punto de empalmede cables

3L

LL

L


120/136

fase A

fase B

fase C

fase Afase A

fase B fase B

fase C fase C

pantalla

metálica

terminal limitadores de voltajeen pantalla (cuando

se requiera)

Tensióninducida

- El cross bonding tiene por objeto neutralizar el voltaje inducido en la

pantalla de los cables y por lo tanto eliminar o reducir la corrienteinducida en la pantalla.L L

L

- El voltaje se neutraliza completamente (y por lo tanto no circulacorriente en las pantallas), solo si las tres longitudes (L) son iguales y siel arreglo es triangular equilátero ó con transposición.

Tensión inducidaen pantallas

Tensióninducida

tierra local

PERDIDAS EN SISTEMAS CROSSBONDING SECCIONALIZADOS CUANDOLAS LONGITUDES MENORES NO SON

IGUALES

)]323121(31[ LLLLLL x

++−=


121/136

)]323121(31[ L L L L L L y

++

Donde:

x = pérdidas por calor en las pantallas con cross bonding (W/km)

y = pérdidas por calor en las pantallas aterrizadas en dos puntos (W/km)

L1, L2, L3 = Longitudes por unidad de las tres secciones menores,

esto es: L1+ L2+ L3 = 1

Ejemplo:

si L1 = 0.4, L2 = 0.2, L3 = 0.4x/y = 0.04; es decir que las pérdidas en la pantalla con cross bondingson 4 % de las pérdidas si se aterrizan las pantallas en dos puntos.

fase A

fase C

fase B fase A

fase Afase B

fase Bfase C

fase C


122/136


123/136

CAJA DE CONEXION PARA REALIZAR EL CROSS BONDING


124/136

conexión depantallas

limitador devoltaje en la

pantalla

cables coaxiales quevienen del empalme coninterrupción de pantalla

cable paraconexión a tierra

carcaza de la

caja

CAJAS DE CONEXION A TIERRA


125/136

conexiones para

probar elaislamiento delas pantallas ylos limitadores

de volta e

cable paraconexión a tierra

carcaza de la

caja

cable de aterrizaje de laspantallas que viene de los

empalmes

500

600

TENSION INDUCIDA EN PANTALLAS METALICAS DE CABLES DE ENERGIA (DE PANTALLA ACONDUCTOR DE TIERRA) PARA VARIOS TIPOS DE FALLA, EN SISTEMAS CON LAS PANTALLAS

ATERRIZADAS EN UN SOLO PUNTO (CABLES EN FORMACION PLANA)

m Y

P O R C

A D A

Dm/rg = 15 10 5

falla de fase a tierra


126/136

300

400

L T S P O R

C A D A k m

A M P E R E S

falla de fase a fase

0

100

200

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.002 3 4 5 6 87 9 10 201 T E N S I O N I N D U C I D

A E N V

1 0 0

RAZON S / Dm

S = Distancia entre centros de cables, en mmDm = Diámetro medio de la pantalla, en mmrg = Radio medio geométrico del conductor de tierra, en mm ( para conductorescableados multiplicar el radio exterior por 0.75 )

falla trifásica

f = 60 Hz

500

600

TENSION INDUCIDA EN PANTALLAS METALICAS DE CABLES DE ENERGIA (DE PANTALLA APANTALLA) PARA VARIOS TIPOS DE FALLA, EN SISTEMAS CON CROSS BONDING

SECCIONALIZADO (CABLES EN FORMACION PLANA)

m Y

P O R C

A D A falla trifásica


127/136

300

400

L T S P O R

C A D A k m

A M P E R E S

falla de fase a fase

0

100

200

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.002 3 4 5 6 87 9 10 201

T E N S I O N I N D U C I D

A E N V

1 0 0

S = Distancia entre centros de cables, en mmDm = Diámetro medio de la pantalla, en mm

RAZON S / Dm

falla de fase a tierra

f = 60 Hz

30

SELECCION DE LIMITADORES DE VOLTAJE ENPANTALLA

Curvas de descarga de limitadores de voltaje para pulsos de corriente de 8/20 µµµµs(corresponde a pulsos de voltaje de 1.2/50 µµµµs por la no linealidad del dispositivo)

Voltaje deoperación


128/136

15

20

25

e d e s c a r

g a ( k V )

3 kV

4.5 kV

6 kV

7.5 kV

operaciónnominal:

0

5

10

0 10 20 30 40

Corriente del pulso (8/20 micro-s) (kA)

V

o l t a j e

9 kV

- El voltaje de operación nominal debe ser mayor o igual a la tensión inducida enla pantalla en condiciones de corto circuito.

- El voltaje de descarga del limitador debe ser menor al BIL de la cubierta.

LIMITADORES DE VOLTAJE EN PANTALLA(APARTARRAYOS)

- Deben limitar la tensión en la pantalla durante fallas, descargas atmosféricas y maniobrasde interruptores, para evitar perforación de la cubierta de los cables o del aislamiento que

interrumpe la pantalla en los empalmes, ya que esto ocasionaría que circularan corrientes enlas pantallas con el consiguiente sobrecalentamiento de los cables, además de corrosión enlas pantallas metálicas.

- Pueden ser resistencias no lineales, gaps de descarga o combinación en serie de ellos.


129/136

PRUEBAS DE IMPULSO ATMOSFERICO (1.2 x 50 µµµµs) ACUBIERTAS DE CABLES DE ACUERDO A IEC 229

Pueden ser resistencias no lineales, gaps de descarga o combinación en serie de ellos.

Impulso nominal de soporte delaislamiento principal del cable

BIL(voltaje pico)

Voltaje de prueba al impulso(voltaje pico)

(10 impulsos + y 10 -)(kV)

(kV)V < 380

380 ≤≤≤≤V < 750750 ≤≤≤≤V < 1175

1175 ≤≤≤≤V < 1550V ≥≥≥≥ 1550

2037.547.5

62.572.5

Voltaje nominal del cable entre fases(kV)

BIL(kV)

5152535

4669

115230400

60110150200

250350550

10501425

IEC 229 “Tests on cable oversheaths which have a special protective function and are applied by extrusion”


130/136

Ejemplo: cable 15 kV XLPE 100 % N.A. con

conductor de cobre 500 kCM y pantalla metálica

de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera


131/136

Area transversal

de pantalla

Resistencia aparente a 90 °C y 60 Hz

ohm/km

triangular equilátera.

metálica

mm2

39 mm 120 mm 250 mm

un punto* 0.0911 0.0899 0.0898

5.2 0.0921 0.0951 0.0994

66.8 0.1030 0.1440 0.1790

133 0.1110 0.1630 0.1900

* Aterrizaje de pantallas en un solo punto

Separación entre centros de cables



de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 1)


132/136

Area transversal

de antalla

Reactancia inductiva aparente a 60 Hz

ohm/km

triangular equilátera (continuación 1).

metálica Separación entre centros de cables

mm

2

39 mm 120 mm 250 mmun punto* 0.128 0.212 0.268

5.2 0.128 0.212 0.267

66.8 0.125 0.189 0.215

133 0.120 0.151 0.151* Aterrizaje de pantallas en un solo punto





133/136

Area transversal

de antalla

Impedancia aparente

ohm/km


metálica

mm2

39 mm 120 mm 250 mmun punto* 0.157 0.230 0.283

5.2 0.158 0.232 0.285

66.8 0.162 0.238 0.280

133 0.163 0.222 0.243* Aterrizaje de pantallas en un solo punto






134/136

Area transversal Corriente inducida en cada pantalla


de pantalla

metálica

mm 39 mm 120 mm 250 mm

5.2 5.95 13.5 18.5

66.8 72.9 158 203

133 136 259 304

A




de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 4).


135/136

Area transversal Pérdidas en la pantalla metálica


metálica

mm2 39 mm 120 mm 250 mm5.2 0.01 0.06 0.10

66.8 0.13 0.59 0.98

133 0.22 0.79 1.10




de alambres de cobre, con una corriente de 400A, una frecuencia de 60 Hz y en configuracióntriangular equilátera (continuación 5).


136/136

Tensión inducida en cada antalla metálica


39 mm 120 mm 250 mm

25.7 59.6 81.7

V/km


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