INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12105/1/estudio...ii RESUMEN...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

“ESTUDIO DE PROBLEMAS DE COMPATIBILIDAD

DIELÉCTRICA EN CABLES SEMI-AISLADOS PARA REDES

DE DISTRIBUCIÓN”.

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

OLVERA CONTRERAS JOSÉ DANIEL

ASESORES:

DR. FERMÍN PASCUAL ESPINOS CORTÉS

M. EN C. JOSÉ ANTONIO CASTILLO JIMÉNEZ

MÉXICO, D.F. 2013

ii

RESUMEN

En el presente trabajo se desarrolla una investigación acerca de los nuevos sistemas de

distribución para redes aéreas compactas en media tensión (en este caso para un sistema de 23

kV), se presentan las causas que justifican su implementación y los problemas que pueden

experimentar al ponerse en servicio en las líneas de distribución (LD).

Se muestran las características más importantes de cada uno de los sistemas, posteriormente

se comparan sus propiedades para evaluar las ventajas y desventajas que se tienen con cada

uno de ellos al ser implementados en LD.

Posteriormente se lleva a cabo una explicación detallada de cómo se realizó el modelado de

dos tipos de sistemas de distribución (SD), Sistema Cable-Espaciador y Cable- aislado. Por

medio de un paquete computacional para el modelado de campos electromagnéticos

(COMSOL), se realizan simulaciones del comportamiento del campo eléctrico en el área de

contacto de los dos tipos de SD bajo estudio.

Estos arreglos fueron simulados bajo diferentes configuraciones para pruebas de

compatibilidad dieléctrica y de esfuerzo, con el fin de determinar los factores que modifican la

concentración de campo eléctrico. Con el análisis de los resultados arrojados por las diferentes

simulaciones y tomando en cuenta los factores importantes que afectan a estos sistemas, se

determinó que el buscar que los materiales aislantes en contacto (cable – espaciador o cable –

aislador) tengan la misma permitividad ayudará a no elevar la intensidad de campo eléctrico;

sin embargo, la intensidad de campo eléctrico puede aun así ser muy elevada por lo que es

importante asegurar que estos materiales además tengan una alta resistencia a la erosión por

descargas superficiales.

En el caso de las simulaciones para las diferentes configuraciones que se utilizan en pruebas

de compatibilidad dieléctrica, se encontró que la condición real de un sistema trifásico no es

correctamente representada si se utiliza un sistema monofásico durante las pruebas.

iii

INDICE

RESUMEN ............................................................................................................................. ii

INDICE .................................................................................................................................. iii

ÍNDICE DE TABLAS .......................................................................................................... vii

Capítulo 2 ......................................................................................................................... vii

Capítulo 3 ......................................................................................................................... vii

Capítulo 4 ......................................................................................................................... vii

ÍNDICE DE FIGURAS ....................................................................................................... viii

Capítulo 2 ........................................................................................................................ viii

Capítulo 3 .......................................................................................................................... ix

Capítulo 4 .......................................................................................................................... xi

TERMINOLOGÍA Y SIGLAS ............................................................................................ xiii

DEFINICIONES GENERALES ......................................................................................... xiv

Capítulo I ................................................................................................................................ 1

Introducción ............................................................................................................................ 1

1.1. Generalidades .............................................................................................................. 2

1.2. Descripción del Problema ............................................................................................ 2

1.3. Objetivos ...................................................................................................................... 3

1.3.1. Objetivo General................................................................................................... 3

1.3.2. Objetivos Particulares ........................................................................................... 4

iv

1.4. Justificación ................................................................................................................. 4

1.5. Estado del Arte ............................................................................................................ 4

1.6. Alcances y Limitaciones .............................................................................................. 6

1.6.1. Alcances ............................................................................................................... 6

1.6.2. Limitaciones ......................................................................................................... 6

1.7. Estructura de la Tesis ................................................................................................... 6

Capítulo 2 ............................................................................................................................... 8

Sistemas de distribución con cables semi-aislados ................................................................ 8

2.1. Introducción ................................................................................................................. 9

2.2. Sistemas de Distribución ............................................................................................. 9

2.3. Implementación de Cables Semi-aislados en Sistemas de Distribución ................... 10

2.3.1. Sistema Conductor Desnudo .............................................................................. 11

2.3.2. Sistema Cable Semi-aislado ............................................................................... 11

2.3.3. Sistema Cable-Espaciador .................................................................................. 15

2.3.4. Sistema Cable Trenzado ..................................................................................... 19

2.3.5. Estudio Técnico-Económico............................................................................... 20

Capítulo 3 ............................................................................................................................. 26

Modelado de sistemas con cables semi-aislados .................................................................. 26

3.1. Introducción ........................................................................................................... 27

v

3.2. Cálculo del campo eléctrico ................................................................................... 27

3.3. Modelo del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler .................................................... 29

3.4. Modelo del Sistema Cable-Espaciador ................................................................. 37

3.5. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Espaciador ............................ 41

3.6. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler ............... 44

Capítulo 4 ............................................................................................................................. 49

Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en la distribución de campo eléctrico

en la superficie del conductor ............................................................................................... 49

4.1 Introducción ........................................................................................................... 50

4.2 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del campo en el sistema Cable-

Espaciador ........................................................................................................................ 51

4.3 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del campo en el sistema Cable-

Aislador ............................................................................................................................ 54

4.4 Efecto de la forma de energizar un sistema de Cable semi-aislado y espaciador

durante pruebas de compatibilidad ................................................................................... 56

4.4.1 Energizando el sistema con alimentación trifásica ( ). ............................... 58

4.4.2 Energizando las tres fases al mismo potencial. .............................................. 58

4.4.3 Energizando una fase a la vez con las restantes a tierra ................................. 60

Conclusiones ......................................................................................................................... 64

Trabajos Futuros ................................................................................................................... 65

Referencias Bibliográficas .................................................................................................... 66

vi

Anexos .................................................................................................................................. 68

vii

ÍNDICE DE TABLAS

Capítulo 2

Tabla 2.1 Tabla comparativa de la susceptibilidad a diferentes tipos de falla de diferentes

sistemas de cables. ................................................................................................................ 22

Tabla 2. 2 Inversión inicial y costos de operación – MEX$/Poste [19] .............................. 23

Capítulo 3

Tabla 3.1 Comportamiento del máximo campo eléctrico entre el espaciador y el cable semi-

aislado. 43

Tabla 3.2 Máximo campo eléctrico en los aisladores del modelo de la Figura 3.22. 45

Capítulo 4

Tabla 4. 1 Comportamiento del campo eléctrico máximo con el cambio de la Permitividad

dieléctrica del cable semi-aislado y el espaciador. .............................................................. 54

Tabla 4.2 Comportamiento del campo eléctrico máximo entre el aislador tipo alfiler y el cable

semi-aislado cuando se hace el cambio de las permitividades relativas, con la fase B a

potencial nominal y las fases restantes con un potencial de -0.5Vn. .................................... 56

Tabla 4.3 Máximo campo eléctrico en el espaciador por su forma característica de

alimentación, una fase con potencial nominal y las otras dos con potencial a tierra. ........ 63

viii

ÍNDICE DE FIGURAS

Capítulo 2

Fig. 2.1 Sistema cable semi-aislado soportado por tres aisladores tipo alfiler para un SD

aérea con un hilo de guarda como blindaje de la línea. ...................................................... 12

Fig. 2.2 Ilustración de un aislador tipo alfiler. .................................................................... 13

Fig. 2.3 Conductor semi-aislado de una sola capa para LD de 5kV [15]. .......................... 14

Fig. 2.4 Conductor semi-aislado de tres capas para LD cercanas a zonas arboladas de 15kV

[15]. ...................................................................................................................................... 14

Fig. 2.5 Conductor semi-aislado de dos capas para LD sin cercanía a zonas no arboladas de

15kV [15]. ............................................................................................................................. 14

Fig. 2.6 Conductor semi-aislado de tres capas para LD de 25kV [15]. .............................. 14

Fig. 2.7 Efectos producidos por la utilización de una capa semi-conductora en un conductor

metálico semi-aislado [9]. (a) Cable con una sola capa y mayor concentración de campo

eléctrico (efecto punta), (b) cable de dos capas una de ellas semi-conductora (en negro) que

ayuda a reducir la concentración de campo eléctrico en el aislamiento. ............................ 15

Fig. 2.8 Fotografía tomada en Zitácuaro Michoacán, mostrando un sistema cable-espaciador.

.............................................................................................................................................. 16

Fig. 2.9 Sistema de Distribución utilizando un sistema cable-espaciador con conductores

semi-aislados. ....................................................................................................................... 17

Fig. 2.10 Sistema Cable-Espaciador que entra en contacto con un árbol y un ave soportada

por un conductor. ................................................................................................................. 18

Fig. 2.11 Sistema mixto para líneas compactas y multi-circuito de una LD. ...................... 19

ix

Fig. 2.12 Sistema cable trenzado para líneas aéreas de distribución. ................................. 20

Fig. 2. 13 Costo y confiabilidad de diferentes tipos de configuraciones utilizados en LD [9]22

Capítulo 3

Fig. 3.1 Diseño del aislador tipo alfiler que fue tomado del sistema de red aérea compacta

para 23kV propuesto [5]. ..................................................................................................... 29

Fig. 3.2 Modelo de un aislador tipo alfiler en 2D realizado en AutoCAD. ......................... 30

Fig. 3.3 Extruido de un aislador tipo alfiler, para su modelado en 3D. .............................. 30

Fig. 3.4 Aislador tipo alfiler. ................................................................................................ 31

Fig. 3.5 Poste y cruceta realizados en AutoCAD, para montar los aisladores tipo alfiler vista

3D. ........................................................................................................................................ 32

Fig. 3.6 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción en la parte interior del mismo, vista

2D. ........................................................................................................................................ 33

Fig. 3.7 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción, vista 3D. .................................... 33

Fig. 3.8 Montaje del aislador tipo alfiler a la cruceta por medio del tornillo de sujeción. . 34

Fig. 3.9 Modelo del sistema cable-aislador vista posterior utilizado en las simulaciones. . 35

Fig. 3. 10 Modelo del sistema cable-aislador vista lateral. ................................................. 36

Fig. 3.11 Modelo del sistema cable-aislador vista superior. ............................................... 36

Fig. 3.12 Modelo del sistema cable-aislador vista en tres dimensiones. ............................. 37

Fig. 3.13 Modelo del sistema cable-espaciador vista frontal utilizado en las simulaciones.38

x

Fig. 3. 14 Sistema cable-espaciador vista lateral. ............................................................... 39

Fig. 3. 15 Sistema cable-espaciador vista superior. ............................................................ 39

Fig. 3.16 Sistema cable-espaciador vista en tres dimensiones. ........................................... 40

Fig. 3.17 Espaciador vista en tres dimensiones. .................................................................. 41

Fig. 3. 18 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase

A energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del

aislamiento del cable 3. ........................................................................................................ 42

Fig. 3.19 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase

B energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del


Fig. 3. 20 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase

C energizada al valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del


Fig. 3.21 Área del brazo del espaciador (en azul) donde soporta al conductor y entra en

contacto con el mismo, que fue utilizado para la medición del campo eléctrico en el

espaciador. ........................................................................................................................... 44

Fig. 3. 22 Distribución de potencial en el modelo de un sistema de distribución de 23 kV, con

la fase B a valor pico, y las fases A y C con un valores de la mitad del valor pico. ............ 45

Fig. 3.23 Área del canal donde el aislador soporta a los conductores y de donde fueron

tomadas las muestras de concentracón de campo eléctrico en los aisladores. ................... 46

Fig. 3.24 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de

la fase A y el cable conductor. .............................................................................................. 47

xi


la fase B y el cable conductor. .............................................................................................. 47


la fase y el cable conductor. ................................................................................................ 48

Capítulo 4

Fig. 4.1 Oscilograma de tensión de un sistema trifásico para mostrar los valores instantáneos

de tensión en que se consideran en la simulación. ............................................................... 51

Fig. 4. 2 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase



Fig. 4. 3 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase



Fig. 4. 4 Distribución de potencial en el modelo del sistema cable-aislador con cambio de

permitividad relativa dieléctrica. Permitividad relativa del aislamiento del cable 3,

permitividad relativa del espaciador 6; alimentado por la fase B a valor pico. ................. 55

Fig. 4. 5 Configuraciones para energizar durante las pruebas de compatibilidad dieléctrica.

.............................................................................................................................................. 57

Fig. 4. 6 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal.

Fases A, B y C energizadas a tensión nominal. ................................................................... 59

Fig. 4.7 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el espaciador y

el hilo de guarda, cuando se energizan las tres fases a tensión nominal............................. 60

xii


A energizada a tensión nominal mientras que las fases B y C se encuentran a un potencial

igual con cero. ...................................................................................................................... 61


B energizada a tensión nominal mientras que las fases Ay C se encuentran a un potencial

igual con cero. ...................................................................................................................... 62

Fig. 4. 10 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal.

Fase C energizada a tensión nominal mientras que las fases A y B se encuentran a un

potencial igual con cero. ...................................................................................................... 62

xiii

TERMINOLOGÍA Y SIGLAS

Sistema Eléctrico de Potencia SEP

Líneas de Transmisión LT

Sistemas de Distribución SD

Líneas de Distribución LD

Polietileno reticulado XELP

Polietileno de alta densidad HDP

Intensidad de campo magnético [ ⁄ ]

Densidad de corriente de conducción [ ⁄ ]

Densidad de flujo eléctrico [ ⁄ ]

Intensidad de campo eléctrico [ ⁄ ]

Densidad de flujo magnético [ ], [ ⁄ ]

Densidad volumétrica de carga [ ⁄ ]

Conductividad eléctrica [ ⁄ ], [ ]

Permeabilidad magnética [ ⁄ ]

Permitividad eléctrica [ ⁄ ]

xiv

DEFINICIONES GENERALES

Cable semi-aislado: Cable de un conductor de cobre, aluminio, (AAC) o aluminio con alma de

acero (ACSR), con pantalla semiconductora extruida sobre el conductor y aislamiento-cubierta

de polietileno de cadena cruzada (XELP) en color negro.

Campo Electrostático: Es cuando existe un campo eléctrico y tal vez cargas electroestáticas,

siempre y cuando no haya variaciones con respecto al tiempo y que no exista corriente

eléctrica ni campo magnético.

Permitividad Dieléctrica: Propiedad física de la materia que mide la facilidad que presenta un

medio a formar dipolos (separación de cargas positivas y negativas) cuando está bajo la

influencia de un campo eléctrico externo.

Permeabilidad Magnética: Propiedad física intrínseca de la materia que mide la facilidad que

presenta un medio al paso del flujo magnético.

Conductor Semi-aislado: Es el componente del sistema para red aérea compacta que conduce

la corriente de las redes aéreas y también provee protección al sistema contra contactos

accidentales entre los conductores de las fases y de fase(s) a tierra.

Espaciadores: Es el componente del sistema para red aérea compacta que soporta y mantiene

los conductores espaciados en los claros interpostales, deben colocarse a distancias entre 9

metros y 10 metros.

Aisladores: Es el componente del sistema para red aérea compacta donde se coloca el

conductor, soporta la tensión mecánica de la línea aérea y facilita sus cambios de dirección, se

colocan a través de pernos roscados tipo alfiler sobre crucetas en los postes.

Sistema para red aérea compacta: Conjunto de componentes (conductor, aisladores,

espaciadores y amarres, principalmente) destinados para la distribución de energía eléctrica en

redes aéreas, diseñados y fabricados de manera tal que puedan reducirse los esfuerzos

xv

eléctricos debidos a los campos eléctricos entre sí, con el objetivo de proveer mayor

confiabilidad a las redes y para reducir el espacio que ocupan las líneas abiertas.

Polietileno: Es uno de los polímeros más comunes debido a su alta producción y bajo precio,

es normalmente utilizado en tuberías, envases, recubrimientos de cables, objetos moldeados,

etc. Preparado a partir del etileno.

Capítulo 1

1

Capítulo I

Introducción

Capítulo 1

2

1.1. Generalidades

El aumento en la demanda de energía eléctrica a nivel mundial ha generado un crecimiento

rápido de los Sistemas Eléctricos de Potencia (SEP’s), junto con el incremento en la

complejidad de los mismos se ha elevado los criterios de calidad en el suministro de energía.

La calidad de la energía está referida en buena parte a la continuidad del servicio, la cual es

afectada considerablemente por salidas provocadas por fallas de líneas de transmisión y

distribución (LT y LD). Las LT y las LD se diseñan de tal forma que los aisladores soporten

mecánicamente a los conductores de fase, aislándolos eléctricamente de la estructura

aterrizada evitando posibles fallas.

México cuenta con más de 700 000 km en su sistema de redes de distribución y transmisión,

de los cuales el mayor kilometraje pertenece a las LD, líneas que además cuentan con el

mayor número de niveles de tensión, a pesar de que el mayor porcentaje de crecimiento en

casi diez años lo han tenido las LT. En lo que concierne al consumo de energía, la tasa de

crecimiento poblacional ha ido incrementando, por lo tanto también la conexión de nuevos

usuarios. La calidad de servicio que se les brinda a los usuarios que se encuentran conectados

a la red se ha incrementado, gracias a la considerable reducción del tiempo de interrupción del

servicio. Las interrupciones junto con otros problemas inciden en la confiabilidad de las redes,

por lo que continuamente se buscan nuevas alternativas capaces de proteger los sistemas

contra fallas, ya sean en distribución o transmisión [12].

1.2. Descripción del Problema

Con el propósito de reducir la tasa de fallas en los alimentadores de distribución instalados en

zonas arboladas o de líneas con un derecho de vía reducido, las empresas de servicios públicos

alrededor del mundo han instalado cables semi-aislados en líneas aéreas de distribución. Se

han reportado mejoras significativas en la continuidad de estas líneas lo que ha demostrado

que el uso de los sistemas con cables semi-aislados puede mejorar significativamente la

Capítulo 1

3

confiabilidad del sistema de redes de distribución. Sin embargo, todavía existen algunas

situaciones que tienen que ir aclarándose en cuanto al uso de este tipo de sistemas.

Uno de los problemas que se presentan a lo largo de las redes de distribución aéreas con cables

semi-aislados, es el deterioro de los cables y los espaciadores o aisladores que los soportan, ya

que en el área de contacto entre estos se generan descargas superficiales. La presencia de

descargas en esta zona se asocia con problemas de compatibilidad dieléctrica entre ambos

componentes (cable y espaciador o cable y aislador). Por compatibilidad dieléctrica se

entiende a que ambos materiales tienen las mismas propiedades (permitividad eléctrica

principalmente). Este desgaste provoca el envejecimiento prematuro en los materiales

empleados en las líneas de distribución, envejecimiento que pueden llegar a producir la falla

completa de la LD y por consecuencia interrumpiendo el suministro de energía eléctrica.

El daño en la superficie de los conductores ha sido un problema en los cables semi-aislados,

por lo que ha sido utilizado como parámetro para verificar el efecto de la compatibilidad de los

materiales, es decir, el efecto de posibles diferencias en las permitividades dieléctricas de los

materiales. En este trabajo se verifica mediante simulaciones de campo eléctrico el efecto de

diferencias en la permitividad eléctrica de los materiales. También se muestran las diferencias

que pudieran existir en la distribución de esfuerzos con diferentes formas de energizar los

sistemas con cables semi-aislados durante las llamadas pruebas de compatibilidad.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo General

Modelar y analizar la distribución de campo eléctrico que se crea entre cables semi-

aislados y espaciadores o aisladores de sistemas de distribución.

Capítulo 1

4

1.3.2. Objetivos Particulares

Verificar el efecto de la diferencia de permitividad dieléctrica de los materiales en la

concentración de campo eléctrico en la interface entre cables semi-aislados y

espaciadores o aisladores.

Verificar la distribución de esfuerzos en diferentes configuraciones con cables semi-

aislados y espaciadores durante pruebas de validación.

1.4. Justificación

Existen diversos factores que afectan el suministro de energía eléctrica, evitando que exista

una plena continuidad en el servicio que se les brinda a los usuarios impidiéndoles así que

estos continúen con sus actividades cotidianas que dependen del uso de la energía. Estos

factores pueden ser provocados por la naturaleza o pueden ser provocados por el ser humano.

Implementando líneas aéreas de distribución compactas en zonas rurales y urbanas se reduce

el número incidencia de regímenes anormales y desprendimiento de cables, asegurando la

continuidad del servicio y brindando protección a la fauna del área y a las personas que se

encuentren cerca las LD.

Con el estudio y el modelado del campo eléctrico que puede producir un deterioro entre los

cables semi-aislados y espaciadores o aisladores, se desea conocer que tipos de materiales

pueden ser utilizados para que el deterioro sea el menor posible. Asegurando un mejor

desempeño de los materiales en las líneas de distribución con cables semi-aislados, además se

podrá ayudar a que los materiales, equipos e instalaciones tengan una mayor vida útil y con

ello generar un ahorro económico y un mejor servicio.

1.5. Estado del Arte

En el año 2008, Brian Wareing presentó un libro acerca de las redes de distribución aéreas, en

el capítulo 9 menciona los diferentes tipos de sistemas utilizados en líneas de distribución de

Capítulo 1

5

mediana tensión y las propiedades con las que cuentan cada uno de éstos, especificando las

ventajas y desventajas de los mismos. De igual manera, hace referencia a los factores

importantes que afectan el desempeño de los conductores, además de que compara la

confiabilidad de los sistemas en cuanto al costo que se genera al ser instalarlos y el

rendimiento de vida útil. Así mismo, contiene información acerca de los diferentes tipos de

recubrimientos utilizados para los conductores semi-aislados [1].

En el año 2008, James D. Bouford presenta un artículo en el cual menciona como el contacto

de los árboles con las líneas de distribución ha sido uno de los principales factores para la

interrupción del suministro de energía en Estados Unidos. De igual forma, presenta como a

pesar de que la utilización de espaciadores y cables semi-aislados incrementa el costo de las

instalaciones de líneas de distribución, éste crea un beneficio a largo plazo. También menciona

como es que están constituidos los elementos utilizados (los espaciadores y conductores semi-

aislados) en las líneas de distribución y como se ha tratado de contrarrestar los efectos de los

campos entre los materiales por los cuales están constituidos los elementos, para reducir las

interrupciones del sistema y hacerlo más confiable [4].

En el año 2010, M. Lehtonen presenta un artículo en la IEEE acerca del incremento de la

demanda del servicio de la energía eléctrica en Finlandia, y como se ve afectada la calidad del

suministro por razones: técnicas, fenómenos naturales, fauna, comportamientos inapropiados

de la población o el conjunto de varios de estos factores. También presenta la frecuencia de

incidencia de las fallas en las redes de distribución, comparando la confiabilidad que tienen

los diferentes tipos de sistemas de distribución al estar sometidos a los diferentes factores ya

mencionados y dependiendo de la zona en la que se encuentren instalados. De igual manera

menciona como la tendencia a remplazar los conductores desnudos por los conductores semi-

aislados, ha reducido el porcentaje de fallas generadas en las LD [7].

En el año 2011, Vatcharin Saithongin y Boochai Techaumnat presentan un artículo sobre el

estudio numérico del comportamiento del campo eléctrico entre espaciadores y cables semi-

aislados mediante el método de elemento finito en dos dimensiones. Demostrando que la

Capítulo 1

6

distribución del campo eléctrico es mayor en el punto de contacto entre ambos elementos y

como al tomar en cuenta mayor número de puntos de contacto entre ellos (número de

elementos del mallado), los resultados obtenidos se aproximaban a valores más exactos [17].

1.6. Alcances y Limitaciones

1.6.1. Alcances

La finalidad de esta tesis es llevar a cabo el modelado de las piezas en LD que utilizan cables

semi-aislados que sufren un desgaste alrededor del área de contacto, y con esto proporcionar

información que pueda ser útil, especificar los parámetros que deben de cumplir los cables

semi-aislados, los espaciadores o aisladores.

Las simulaciones se realizaron en tres dimensiones para poder reproducir de la mejor manera

posible la configuración que se tiene en un sistema real. Se simularon sistemas espaciador-

cable y aislador-cable.

1.6.2. Limitaciones

Aunque se utilizó un servidor con gran capacidad computacional para realizar las simulaciones

no fue posible reducir al mínimo los errores numéricos, esto fue debido al tamaño del modelo

en tres dimensiones.

1.7. Estructura de la Tesis

La presente tesis contiene 5 capítulos enumerados de la siguiente manera:

El Capítulo I, Introducción, describe los objetivos, justificación, antecedentes, limitaciones y

alcances de la presente tesis, además de presentar un breve estado del arte sobre el tema.

Capítulo 1

7

El Capítulo II, Sistemas de Distribución con cables semi-aislados, presenta las partes

componentes de un sistema de distribución, además de las diferentes configuraciones

empleadas para la las líneas aéreas compactas de distribución.

El Capítulo III, Modelado de sistemas con cables semi-aislados, muestra cómo se llevó a cabo

el diseño y el modelo de los sistemas simulados además de explicar el procedimiento para el

cálculo de campo eléctrico.

El Capítulo IV, Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en la distribución de

campo eléctrico en la superficie del conductor, presenta el estudio del comportamiento del

campo eléctrico en los diferentes sistemas bajo simulación. Se realizan un cambio de la

permitividad relativa de los materiales y se analiza su efecto en la magnitud del campo

eléctrico. Asimismo presenta el estudio de la distribución del campo eléctrico en diferentes

configuraciones utilizadas para energizar el sistema cable-espaciador durante pruebas de

compatibilidad.

El Capítulo V, Conclusiones, resume los resultados del análisis realizado, al igual que se

comenta sobre las posibles mejorías en los sistemas de distribución con cables semi-aislados.

Capítulo 2

8

Capítulo 2

Sistemas de distribución con cables semi-aislados

Capítulo 2

9

2.1. Introducción

En este capítulo se describen algunos tipos de sistemas de distribución así como cuáles han

sido las nuevas técnicas implementadas para mejorarlos. Se comparan los diferentes tipos de

sistemas de distribución, partiendo de los sistemas con cables desnudos para posteriormente

describir los sistemas con cables semi-aislados con espaciadores y/o aisladores, se enlistan las

ventajas y desventajas de utilizar alguno de estos tipos en las LD aéreas de media tensión.

2.2. Sistemas de Distribución

Los Sistemas de Distribución (SD) se encargan de transportar la energía eléctrica de una

Subestación Eléctrica (SE) a los diferentes usuarios que requieren del servicio por medio de

elementos especiales de uso específico y dar paso a distribución de la energía. Los

transformadores de distribución, las Líneas de Distribución (LD) primarias y secundarias,

acometidas y medidores; son algunos de los principales equipos e instalaciones que componen

al SD. El estado en que se encuentren estos componentes se verá reflejado en la calidad y

continuidad del suministro energético que se brinde a los usuarios, permitiéndoles utilizar los

equipos que dependan del uso de energía eléctrica para realizar actividades a lo largo del

transcurso del día [16]. La distribución de energía eléctrica debe llevarse a cabo con redes bien

diseñadas que sean capaces de soportar el crecimiento propio de la carga, y que además sus

componentes sean de la mejor calidad posible para que resistan los efectos de la intemperie a

los que se verán sometidos durante su vida útil además del efecto del campo eléctrico que se

crea en las LD. Actualmente existen cuatro tipos de configuraciones aéreas para LD, tres de

ellos buscan disminuir el número de fallas que se generan en los SD, estos arreglos son [1]:

Conductor desnudo

XELP/HDP Conductores semi-aislados

Sistemas de cables trenzados

Concepto de cables espaciados

Capítulo 2

10

2.3. Implementación de Cables Semi-aislados en Sistemas de

Distribución

Existen muchos factores que afectan el servicio continuo de la energía en las LD, es por eso

que se buscan otros medios que sean capaces de brindar mayor seguridad y mayor calidad de

servicio a consumidores. Debido a las continuas interrupciones, se buscó una forma de

evitarlas, es así como el uso de los cables desnudos ha sido paulatinamente desplazado por el

uso de cables semi-aislados, los cuales disminuyeron en un porcentaje considerable el número

de fallas en LD. Por ejemplo, pueden evitar salidas cuando existe el desprendimiento de ramas

que tocan en los cables semi-aislados de dos a más fases, el desprendimiento de los cables de

los postes de distribución y los incidentes con la fauna que habita en la zona que llegan a tener

contacto con los cables de distribución [7].

El crecimiento poblacional en nuestro país y en todo el mundo ha dado origen a una mayor

demanda del servicio de energía eléctrica, esta circunstancia ha obligado a las empresas

generadoras a promover cambios en la infraestructura de los sistemas de distribución debido a

que éstos son los más afectados. Los factores de crecimiento son determinantes esenciales para

que se lleve a cabo la modernización y expansión de las líneas aéreas de distribución. La

implementación de nuevas y distintas formas de arreglos de cables conductores, tiene la

finalidad principal de reducir y aprovechar los espacios aéreos disponibles para los SD sin en

entorpecimiento de las instalaciones [7, 12]. Una de las configuraciones, la cual es motivo de

modelado y análisis más adelante, consta de colocar tres aisladores tipo alfiler en postes de

concreto y otra configuración que se compone de espaciadores poligonales en y entre postes,

estas dos configuraciones transportan cables semi-aislados y son capaces de soportar, dirigir y

dar protección a los cables conductores que les serán instalados, ya sea en zonas urbanas o

rurales.

En la sección anterior se mencionaron rápidamente los cuatro tipos de sistemas de distribución

que existen actualmente, a continuación se dará una explicación de ellos con mayor detalle.

Capítulo 2

11

2.3.1. Sistema Conductor Desnudo

Para las LD los conductores desnudos son comúnmente utilizados para el suministro de

energía eléctrica. En un principio este tipo de instalación con conductor desnudo resultó muy

barato, pero esta configuración comenzó a presentar el gran inconveniente de aumentar el

número de interrupciones o variantes de tensión en el suministro de energía. Las principales

causas a las que se debe estos incrementos, fue debido al desprendimiento de ramas que

quedaban soportadas por dos o más fases, los choques constantes entre los conductores de las

fases y la contaminación de los cables o vandalismo, que en ocasiones crean daños

irreparables en los cables conductores. La consecuencia de los daños irreparables en los

conductores, es una pérdida económica debido a que la reposición de los mismos es la única

solución para tan grave problema, pero además se afectaba de manera importante la calidad

del servicio [1]. La protección de este sistema, depende únicamente del nivel de aislamiento

que le proporciona el aire contra posibles contactos entre fases o con objetos externos (ramas,

aves, etc.), y precisamente es por estos factores que se ha buscado proteger mejor las LD, por

ejemplo implementando sistemas con cables semi-aislados para LD.

2.3.2. Sistema Cable Semi-aislado

Para los sistemas de conductores semi-aislados los recubrimientos varían dependiendo del área

de utilización y pueden ser de una capa o hasta tres, y dependiendo del número de capas con

las que cuente el conductor, será la densidad y el tipo de material que se utilice para recubrir al

conductor [1]. Este sistema usualmente es soportado por postes de concreto y con un diseño de

distancia mínima del conductor al piso, ya que la catenaria de los cables brindará que los

conductores no estén expuestos al contacto con otros objetos y no entorpezca al derecho de

vía. Los postes también pueden llegar a ser de madera pero en su mayoría son de hormigón, a

su vez estos contienen tres aisladores tipo alfiler, que es donde descansa el cable semi-aislado.

La Figura 2.1 muestra el sistema cable-aislador soportado por un poste de hormigón

soportando tres aisladores tipo alfiler por medio de una cruceta fijada al mismo poste.

Capítulo 2

12

Fig. 2.1 Sistema cable semi-aislado soportado por tres aisladores tipo alfiler para un SD aérea con un hilo de

guarda como blindaje de la línea.

Capítulo 2

13

En cuanto a la Figura 2.2, se muestra un aislador tipo alfiler, este aislador es uno de los

modelos utilizado actualmente en las LD, como protección para posibles descargas parciales

que puedan presentarse entre la fase y la tierra, que en este tipo de sistema seria la cruceta el

punto más cercano a tierra.

Fig. 2.2 Ilustración de un aislador tipo alfiler.

Cuando el conductor utilizado en las líneas es de una sola capa, éste emplea polietileno de alta

densidad; en el caso que sean dos capas de recubrimiento una de ellas es un recubrimiento de

polietileno de baja densidad y el otro es de alta densidad; mientras que cuando es un conductor

semi-aislado de 3 capas la primera está conformada por un recubrimiento de polietileno

semiconductor, la segunda es de polietileno de baja densidad y la ultima de alta densidad [15].

Cabe destacar que los recubrimientos de polietileno de alta o baja densidad dependen del nivel

de tensión que soportará el conductor proporcionándole mejores propiedades al conductor

contra los factores que lo deterioren, mejorando su desempeño en las líneas aéreas. En las

Figuras 2.3, 2.4, 2.5 y 2.6 se muestran los diferentes tipos de recubrimientos los cuales son

Capítulo 2

14

para diferentes tipos de tensión y aplicaciones, de los cuales el recubrimiento blanco

representa el polietileno natural.

Fig. 2.3 Conductor semi-aislado de una sola capa para LD de 5kV [15].

Fig. 2.4 Conductor semi-aislado de tres capas para LD cercanas a zonas arboladas de 15kV [15].

Fig. 2.5 Conductor semi-aislado de dos capas para LD sin cercanía a zonas no arboladas de 15kV [15].

Fig. 2.6 Conductor semi-aislado de tres capas para LD de 25kV [15].

Uno de los beneficios de utilizar conductores semi-aislados con capa semiconductora en LD,

es que al estar en contacto con alguna superficie (en este caso puede ser una rama, un aislador

o un espaciador) el campo que se concentra entre el conductor y el área de contacto tiende a

ser dispersado de manera más uniforme por las propiedades que otorga la capa semi-

conductora de un cable de dos o tres capas de recubrimiento [9]. La Figura 2.7 muestra un

ejemplo de la dispersión del campo eléctrico concentrado en los conductores y como varía

Capítulo 2

15

cuando se utiliza el recubrimiento semiconductor. Esto ayuda a reducir los esfuerzos en los

medios aislantes.

Fig. 2.7 Efectos producidos por la utilización de una capa semi-conductora en un conductor metálico semi-

aislado [9]. (a) Cable con una sola capa y mayor concentración de campo eléctrico (efecto punta), (b) cable de

dos capas una de ellas semi-conductora (en negro) que ayuda a reducir la concentración de campo eléctrico en el

aislamiento.

2.3.3. Sistema Cable-Espaciador

Los sistemas de cables-espaciador están compuestos por tres conductores de fase semi-

aislados, como los que se mostraron anteriormente. Estos conductores son soportados y

guiados por un espaciador tipo poligonal, colocado a una distancia de aproximadamente 10

metros para evitar el posible contacto ente los conductores. Asimismo, este tipo de sistema

cuenta con un hilo de guarda, que no solamente brinda protección contra descargas al sistema

sino que además le proporciona soporte y dirección al mismo [1].En la Figura 2.8 se muestra

un sistema de cable espaciador, donde claramente se puede observar el espaciador sostenido y

guiado por el hilo de guarda (HG) que a su vez soporta tres conductores semi-aislados (con la

fase A del lado izquierdo, fase B del lado derecho y la fase C en la parte inferior del

espaciador).

Capítulo 2

16

Fig. 2.8 Fotografía tomada en Zitácuaro Michoacán, mostrando un sistema cable-espaciador.

La Figura 2.9 nos presenta como está constituido un sistema cable-espaciador, donde se

observa que los espaciadores van colocados a determinada distancia unos de otros para

otorgarle forma al sistema y que los conductores no entren en contacto. Esta fotografía fue

tomada sobre las calles de Zitácuaro Michoacán. A pesar de que no se aprecia que el sistema

esté expuesto a factores que lo afecte, conforme avanzan las líneas, el sistema se encuentra

mayormente expuesto a la fauna y flora de la zona.

A

B

C

HG

Capítulo 2

17

Fig. 2.9 Sistema de Distribución utilizando un sistema cable-espaciador con conductores semi-aislados.

Una de las ventajas que proporciona este tipo de sistema a las LD, es que evita el contacto

entre cables reduciendo de esta forma los cortos circuitos por contacto entre conductores e

inclusive cuando existe un desprendimiento de una rama o cuando un animal hace contacto

con dos fases. En el recuadro rojo de la Figura 2.10 se observa como una rama de un árbol está

haciendo contacto con el sistema y en el círculo rojo un ave suspendida en una de las fases del

Capítulo 2

18

propio sistema, sin embargo no se genera daño alguno ni al sistema ni a la fauna de la zona y

el suministro de energía continua sin interrupciones.

Fig. 2.10 Sistema Cable-Espaciador que entra en contacto con un árbol y un ave soportada por un conductor.

De igual manera cabe destacar que otra de las ventajas que proporciona este sistema a las LD,

es que para una línea se pueden instalar más de dos circuitos además de que se pueden acoplar

para que en los mismos postes se instalen cables de telecomunicación. En la Figura 2.11 se

muestra como en un solo poste soporta tres líneas de distribución, implementando el sistema

cable-aislador y el sistema cable-espaciador. Esta Figura fue tomada en el estado de Veracruz.

Rama del árbol Ave

Capítulo 2

19

Fig. 2.11 Sistema mixto para líneas compactas y multi-circuito de una LD.

2.3.4. Sistema Cable Trenzado

Otro de los sistemas empleados para la distribución de energía eléctrica es el sistema cable

trenzado y es uno de los más confiables para LD, consiste de tres conductores semi-aislados

que como su nombre lo indica van trenzados. Este tipo de sistema puede ser utilizado para

instalaciones aéreas, subterráneas e inclusive submarinas ya que el recubrimiento con el que

cuenta otorga mayor protección a los conductores contra fenómenos externos, reduce en gran

parte el efecto de las tensiones inducidas entre fases y el efecto de capacitancia de líneas de

distribución medianas y largas. La utilización de este sistema en LD aéreas, por el tipo de

arreglo, tiene el gran inconveniente de que al presentarse un desprendimiento de una rama de

gran peso sobre los conductores, puede provocar el desprendimiento de los mismos dejando

así una zona afectada sin el suministro de energía [1]. Otra de las desventajas que presenta este

sistema, es que el hilo de tierra no proporciona el blindaje adecuado a los conductores de fase

dando paso a que las descargas impacten sobre ellos con mayor facilidad. La Figura 2.12

presenta la composición del sistema, donde tres conductores de fase son de mayor tamaño a

Capítulo 2

20

comparación del cuarto que es de tierra, de igual forma como se puede observar su

recubrimiento aislante puede ser una simple capa de polietileno o puede ir más reforzado.

Fig. 2.12 Sistema cable trenzado para líneas aéreas de distribución.

2.3.5. Estudio Técnico-Económico

Para poder evaluar la viabilidad económica de un sistema de distribución con cables semi-

aislados es importante considerar también los ahorros que pudieran obtenerse al incrementar la

confiabilidad de los sistemas. El contar con sistemas que estén menormente expuestos a

interrupciones del servicio repercute en ahorros económicos no solo para la reducción de

gastos por mantenimiento sino también en las pérdidas que sufren los usuarios.

Los sistemas de cables semi-aislados cuando no son bien diseñados también pueden llegar a

sufrir problemas que pueden ocasionar que requieran un mantenimiento más frecuente incluso

para los sistemas con cables desnudos. Uno de los posibles problemas que se tiene con la

utilización de cables semi-aislados, es el deterioro del material aislante (polietileno) con el que

se recubren o aíslan los cables, esto puede ser importante cuando el cable no cuenta con una

capa con propiedades que le permitan soportar las descargas superficiales. Las descargas

pueden generar un deterioro mayor, incluso propagándose a los demás componentes

involucrados en las instalaciones, como pueden ser los espaciadores. Por lo anterior muchas

veces puede ser importante seleccionar cables semi-aislados con una capa resistente a las

Capítulo 2

21

descargas, lo cual aunque pueda ser más costoso, a la larga puede representar un mejor

desempeño y mayor vida útil.

El implementar los nuevos sistemas para la distribución de energía eléctrica que se han

mencionado anteriormente, implica un incremento del 20 al 60% en costo total de la

instalación de estos sistemas en comparación a los sistemas actuales que utilizan cables

desnudos. El costo adicional es en una buena parte debido al recubrimiento aislante de los

conductores, el hilo de guarda, los espaciadores y aisladores que requieren ser instalados en

los postes de distribución. Sin embargo, es importante recordar que existe un notable

incremento en la confiabilidad del sistema, ya que las interrupciones debidas al contacto con

árboles o por otras causas externas al SD se reducen hasta un 90%. Además el tiempo de

interrupción en el suministro de energía en los sistemas cable semi-aislado, cable espaciador y

cable trenzado reduce en un 24, 72 y 80% respectivamente. El mejor desempeño de estos

sistemas no solamente es debido al recubrimiento aislante de los conductores, sino también al

hilo de guarda que protege a los conductores del desprendimiento de ramas sobre las LD y

contra descargas atmosféricas [4, 19].

La Figura 2.13 muestra una gráfica de la tendencia en el costo que se tiene con la

implementación de los diferentes sistemas existentes para LD en función de la confiabilidad

del sistema. Se observa que el sistema más barato pero menos confiable emplea cables

desnudos, por otro lado se aprecia como con el sistema cable semi-aislado se incrementa

considerablemente la confiabilidad, pero incrementando el costo. Los sistemas cable-

espaciador y cable trenzado, dado a la tendencia de la gráfica se tornan en sistemas costosos

pero de alta confiabilidad.

Capítulo 2

22

Fig. 2. 13 Costo y confiabilidad de diferentes tipos de configuraciones utilizados en LD [9]

En la Tabla 2.1 se comparan los cuatro diferentes sistemas, donde se enumeran según la

susceptibilidad a sufrir diferentes tipos de falla. La numeración de los sistemas va del 1 al 4,

considerando el número 4 como la peor calificación (más susceptible) que pueden recibir y el

número 1 como la mejor (menos susceptible). Estas características se deben de tomar en

cuenta al realizar un estudio sobre el costo-beneficio de los sistemas.

Tabla 2.1 Tabla comparativa de la susceptibilidad a diferentes tipos de falla de diferentes sistemas de cables.

Característica Conductor

Desnudo

Cable Semi-

aislado

Cable

Espaciado

Cable

Trenzado

Fallas Eléctricas 4 3 2 1

Fallas Mecánicas 4 2 1 3

Tamaño 4 3 2 1

Deterioro Químico/Físico 1 2 3 4

Costo 1 2 3 4

Confiabilidad 4 3 2 1

Susceptibilidad al Medio 4 3 1 2

Capítulo 2

23

ambiente

Del análisis de la Tabla 2.1 y de la Figura 2.13, podemos determinar que el aumento en el

costo de los SD con cables semi-aislados se debe a la capacidad que tienen para soportar los

diferentes factores a los que se encuentran sometidos los SD. De esta forma, por las

propiedades de los SD con cables aislados, un ahorro considerable se puede obtener en la

reducción de mantenimiento preventivo y/o correctivo a largo plazo. Los valores de costo total

de mantenimiento e inversión inicial se reducen desde un 18 hasta un 30% dependiendo del

sistema que se desee instalar [19].

En la Tabla 2.2 se muestran los resultados de un estudio presentado en [19], el cual se

comparan los diferentes sistemas con cable aislado respecto a un sistema de distribución con

cables desnudos. Es importante mencionar que el costo social fue considerado en ese estudio

como el costo que origina la interrupción del servicio, el cual fue tomado como 35 veces el

costo de la energía, más detalles se pueden ver en la referencia [19].

Tabla 2. 2 Inversión inicial y costos de operación – MEX$/Poste [19]

Descripción

Cables Desnudos Cables Semi-

Aislados Cable-Espaciador Cables Trenzados

Zona

Arbolada

Sin

Árboles

Zona

Arbolada

Sin

Árboles

Zona

Arbolada

Sin

Árboles

Zona

Arbolada

Sin

Árboles

Inversión Inicial 12,051 13,780 15,912 19,604

Mantenimiento

Preventivo 5,993 2,509 3,107 2,002 1,014 286 442 91

Mantenimiento

Correctivo 871 442 130 169

Costo Total (%) 18,915 15,431 17,329 16,185 17,056 16,328 20,215 19,864

100 100 92 105 90 106 107 129

Costo Social 2,691 2,054 897 520

Costo Global

(%)

21,606 18,122 19,383 18,239 17,953 17,225 20,735 20,384

100 100 90 101 83 95 96 112

Capítulo 2

24

Comparando las inversiones iniciales que se requieren para la implementación de los nuevos

SD con los gastos que se destinaran al mantenimiento preventivo y/o correctivo de las líneas, a

largo plazo, es por mucho más barato costear el servicio de mantenimiento que requerirán los

nuevos SD. Analizando los datos de los precios que contiene la Tabla 2.2, se determina que la

implementación de estos sistemas en zonas de alta concentración de árboles, existe una mayor

disminución en los costos de mantenimiento que en zonas sin árboles, sin embargo cabe

mencionar que la cercanía de las LD a edificios es un factor importante y que se debe de tomar

en cuenta para la instalación de los nuevos SD. Lo que respecta al mantenimiento preventivo

de los sistemas cable semi-aislado, cable-espaciador y cable trenzado, el presupuesto se

reducirá en un 48-20, 88-83 y 96-92% respectivamente, además de que dependerá de la zona

donde se instalará el sistema (ya sea en un área de alta concentración de árboles o sin árboles

alrededor de las LD) comparado con el sistema con cables desnudos. Mientras que el

presupuesto utilizado para el mantenimiento correctivo, disminuye el costo del servicio hasta

un 50, 15 y 20%, respectivamente, del presupuesto correspondiente del mantenimiento al

sistema con cables desnudos [19].

A continuación se enumera un listado de las ventajas que se obtienen con la implementación

de los sistemas de distribución con cables semi-aislados que pueden influir en la decisión de

asumir un costo extra:

Reducen el número de fallas

Se minimiza el presupuesto utilizado para el mantenimiento de las LD

Incrementan la confiabilidad de los SD

Ofrecen mayor seguridad a los grupos encargados de dar mantenimiento a las líneas y

a terceros

Posibilidad de instalar más de un circuito por poste

Reducen los accidentes con LD (choques entre conductores)

Reducen la duración y la frecuencia con la que ocurren las interrupciones en el

suministro de energía

Capítulo 2

25

Reducen el derecho de vía

Minimizan el presupuesto utilizado para librar las LD en zonas arboladas

Los daños al medio ambiente son menores

Por estos motivos es importante que para las instalaciones aéreas de distribución con cables

compactos, la compañía encargada de brindar el suministro de energía, evalúe los beneficios

que podrá obtener al usar estos sistemas.

Capítulo 3

26

Capítulo 3

Modelado de sistemas con cables semi-aislados

Capítulo 3

27

3.1. Introducción

En este capítulo se da una breve introducción al tema de distribución del campo eléctrico entre

aisladores, para poder comprender el fenómeno que se presenta debido a la interacción de los

elementos empleados en los SD (entre el cable semi-aislado y aisladores o espaciadores).

Igualmente se presentan las simulaciones de los componentes que se utilizan actualmente en

los SD aéreas, mediante un programa capaz de calcular el campo eléctrico en tres dimensiones

que se produce entre los aisladores, espaciadores y los cables semi-aislados.

3.2. Cálculo del campo eléctrico

La determinación del campo eléctrico es útil para la evaluación del efecto que tiene el mismo

sobre las diferentes propiedades dieléctricas de los materiales y los tipos de configuraciones.

Debido que para cada tipo de configuración el campo eléctrico tenderá a comportarse de

manera diferente cuando se le es aplicado un potencial, es decir, puede incrementar o puede

reducirse la intensidad del campo.

Para llevar a cabo el análisis en el presente trabajo, se considera que el potencial aplicado crea

un campo electroestático, el cual es un campo vectorial resultante del gradiente de V. El

considerar el campo como electroestático significa que no se consideran campos inducidos,

por no existir corrientes significativas en los sistemas aislantes evaluados en este trabajo.

Partiendo de la ecuación de la ley de Gauss para campos eléctricos, mostrada en la Ecuación

(3.1), que describe que el gradiente de la densidad de flujo eléctrico es directamente

proporcional a la densidad volumétrica de la carga.

Ec. (3.1)

Donde D la densidad de flujo eléctrico se define como el producto de la permitividad eléctrica

por la intensidad de campo eléctrico, como se muestra en la Ecuación (3.2).

Ec. (3.2)

Capítulo 3

28

Sustituyendo la Ecuación (3.2) en la Ecuación (3.1), obteniendo de esta forma la Ecuación

(3.3).

( ) Ec. (3.3)

Considerando que la densidad volumétrica de carga es igual a cero, la Ecuación (3.3) se puede

igualar a cero, además como se mencionó anteriormente al no existir inducción magnética,

entonces:

Ec. (3.4)

Sustituyendo de esta forma la Ecuación (3.4) en (3.3) y despejando el gradiente de potencial

aplicado, se obtiene la Ecuación (3.5) que hace referencia a la ecuación de Poisson.

Ec. (3.5)

Tomando en cuenta las consideraciones pasadas, donde la densidad volumétrica de carga es

igual a cero, como se muestra en la Ecuación (3.6). Se obtiene la Ecuación (3.5), que da paso a

la Ecuación (3.7), mejor conocida como ecuación de Laplace de un campo escalar:

Ec. (3.6)

Ec. (3.7)

Las simulaciones que se llevaron a cabo en el presente trabajo, fueron resueltas por el método

de elemento finito, mediante un software comercial COMSOL 4.1, considerando un campo

electroestático definido por la ecuación de Laplace (Ecuación (3.7)).

Capítulo 3

29

3.3. Modelo del Sistema Cable-Aislador tipo alfiler

En las simulaciones, se llevaron a cabo diferentes pruebas que consistieron en el cambio de las

propiedades dieléctricas de los materiales que conforman a los elementos bajo prueba

utilizados en los sistemas de distribución aérea compacta, espaciadores tipo poligonales y

aisladores tipo alfiler. Los diseños de los elementos se realizaron con la similitud posible a los

equipos reales, para que el programa al momento de resolver los sistemas de ecuaciones

muestre un comportamiento lo más aproximado posible a los fenómenos reales que se

presentan en los sistemas de distribución [10, 11].

En primera instancia se diseño el aislador, el poste, la cruceta y los conductores en

“AutoCAD”, siguiendo las especificaciones y medidas dadas por las normas mexicanas e

internacionales. Para ello primero se realizó el perfil de un aislador tipo alfiler como se

muestra en la Figura 3.1 para trabajarlo en 2D, después darle un volumen hasta obtener la

figura en 3D del aislador.

Fig. 3.1 Diseño del aislador tipo alfiler que fue tomado del sistema de red aérea compacta para 23kV propuesto

[5].

Capítulo 3

30

El diseño del perfil se tomó de [5] para una red aérea compacta 23kV, una vez tomadas las

medidas, el diseño se pasó a AutoCAD con la finalidad de poder modelarlo en 3D y poder

realizar las simulaciones de forma más realista, como muestra la Figura 3.2 [5].

Fig. 3.2 Modelo de un aislador tipo alfiler en 2D realizado en AutoCAD.

Una vez realizado el perfil en 2D, se trabajó sobre la pieza para darle volumen y obtener un

sólido, de esta forma al se da paso a la Figura 3.3, donde se muestra ya un objeto solido en 3D

de un aislador.

Fig. 3.3 Extruido de un aislador tipo alfiler, para su modelado en 3D.

Capítulo 3

31

La Figura 3.4 muestra la vista lateral inclinada de la Figura 3.3 para que se pueda apreciar la

profundidad del diseño del aislador y como está constituido el mismo.

Fig. 3.4 Aislador tipo alfiler.

Una vez terminado el aislador, se dio paso a la elaboración de la cruceta y el poste mostrados

en la Figura 3.5, estos elementos se diseñaron de igual manera bajo las normas y

especificaciones mexicanas con las que las empresas generadoras y suministradoras de energía

brindan la dirección y soporte para los conductores, ya que el estudio que se presenta está

referenciado con los parámetros existentes en México. El poste y la cruceta hacen referencia a

los equipos que podemos encontrar en campo y en este caso los elementos que se están

considerando son; el poste de concreto y la cruceta de acero.

Capítulo 3

32

Fig. 3.5 Poste y cruceta realizados en AutoCAD, para montar los aisladores tipo alfiler vista 3D.

Para el diseño del poste no se consideró completamente la altitud del mismo, ya que al

importar el diseño al programa de simulación “COMSOL”, la altura no es un factor importante

que afecte a las simulaciones. Al trabajar en el programa de simulación tanto el poste como la

cruceta se consideraron aterrizadas, es decir, con un valor de potencial igual a cero. Al tener

los aisladores terminados y el poste con la cruceta en su lugar se dio paso a la unión de todos

los elementos. Para ello se colocó un tornillo en la parte interna del aislador como se puede

observar en la Figura 3.6, el cual simula el tornillo de fijación que asegura al aislador con la

cruceta. Este tornillo durante la simulación al igual que la cruceta estará aterrizado (potencial

cero).

Capítulo 3

33

Fig. 3.6 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción en la parte interior del mismo, vista 2D.

En la Figura 3.6 se observa el tornillo, que en este caso está siendo simulado por un cilindro

que fija al aislador con la cruceta, mientras que en la Figura 3.7 se muestra desde una

perspectiva inferior en tercera dimensión el aislador, donde podemos observar que el sólido

contiene ya insertado el tornillo en su interior para fijar el aislador a la cruceta.

Fig. 3.7 Aislador tipo alfiler con un tornillo de sujeción, vista 3D.

Capítulo 3

34

La Figura 3.8 se muestra el montaje del aislador tipo alfiler sobre la cruceta que está sujeta al

poste de concreto.

Fig. 3.8 Montaje del aislador tipo alfiler a la cruceta por medio del tornillo de sujeción.

Posteriormente, al ver terminado el diseño de los elementos y haberlos unidos era necesario

insertar el elemento principal que es el conductor semi-aislado. Para el diseño de este

conductor se consideró solamente de una capa, ya que en el campo normalmente solo se

encuentran instalados estos tipos de conductores.

Una vez terminado el modelo en AutoCAD, se procedió a exportar la estructura a el programa

COMSOL para detallar con mayor precisión las partes que la conforman, además de anexarle

los conductores que soportan los aisladores tipo alfiler y limitar el área en la que se encuentra

la misma estructura para poder insertar las condiciones bajo las cuales estará sometido el

sistema y así poder realizar la simulación.

Las Figuras 3.9, 3.10, 3.11 y 3.12 representan al sistema cable-aislador ya importado al

programa COMSOL, donde podemos observar que la Figura 3.9 muestra al sistema deste una

vista posterior al poste de concreto, la Figura 3.10 muestra la perspectiva lateral del sistema

donde se aprecia un cilindro vertical que representa el poste de concreto de donde se sujeta la

Capítulo 3

35

cruceta, la Figura 3.11 una vista del sistema desde un punto inferior y por último la Figura

3.12 muestra una perspectiva en 3D de la forma peliminar del sistema simulado en el

programa. Cabe destacar que el área que rodea al sistema es una frontera limitante del propio

sistema que simula fronteras abiertas, reduciendo así el tamaño del modelo.

Fig. 3.9 Modelo del sistema cable-aislador vista posterior utilizado en las simulaciones.

Capítulo 3

36

Fig. 3. 10 Modelo del sistema cable-aislador vista lateral.

Fig. 3.11 Modelo del sistema cable-aislador vista superior.

Capítulo 3

37

Fig. 3.12 Modelo del sistema cable-aislador vista en tres dimensiones.

3.4. Modelo del Sistema Cable-Espaciador

Para el modelo del sistema cable-espaciador, la estructura contiene los cuatro conductores

(tres de fase y un hilo de guarda) y se delimitó su área con un subdominio de elementos

especiales que simulan la frontera abierta. En este caso el modelo geométrico fue realizado en

trabajos anteriores directamente en COMSOL. Las figuras mostradas a continuación presentan

el modelo preliminar del sistema cable-espaciador. La Figura 3.13 muestra al espaciador

soportando tres conductores (uno por fase) y sujeto a un hilo de guarda desde una perspectiva

en dos dimensiones vista frontal.

Capítulo 3

38

Fig. 3.13 Modelo del sistema cable-espaciador vista frontal utilizado en las simulaciones.

En la Figura 3.14 se muestra el mismo sistema cable-espaciador, donde se puede observar que

en la parte superior se encuentra el hilo de guarda y en la parte central e inferior del espaciador

los conductores, pero en la parte central del mismo se observa una línea más resaltada que las

demás, esto indica que se encuentra otra figura detrás de ésta, es decir, otro conductor de fase.

Esta figura se muestra desde una vista lateral.

Capítulo 3

39

Fig. 3. 14 Sistema cable-espaciador vista lateral.

En la Figura 3.15 se aprecia el mismo sistema, sin embargo desde una vista superior, de igual

forma se presenta resaltada una línea en la parte central de la figura, donde por el tipo de vista,

indica que el hilo de guarda queda por encima del conductor de fase.

Fig. 3. 15 Sistema cable-espaciador vista superior.

Capítulo 3

40

Finalmente se muestra el sistema en la Figura 3.16, con una vista en tercera dimensión para

para su mejor apreciación.

Fig. 3.16 Sistema cable-espaciador vista en tres dimensiones.

El modelo de la Figura 3.16 es el utilizado en las simulaciones; sin embargo, al momento de

presentar los resultados la única forma que se presentará solo el espaciador, para poder así

observar de manera más clara la concentración de campo en éste. La geometría del espaciador

es mostrada en la Figura 3.17.

Capítulo 3

41

Fig. 3.17 Espaciador vista en tres dimensiones.

3.5. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-

Espaciador

Al modelar el campo eléctrico del sistema cable-espaciador, fueron modificados los valores

dieléctricos de los espaciadores y del material aislante que recubre al conductor, con el fin de

observar la concentración de campo eléctrico que se crea entre materiales. De igual forma se

fueron cambiando los valores de tensión instantánea para cada fase para simular la aplicación

de la tensión trifásica de CA. En las Figuras 3.18, 3.19 y 3.20 se pueden apreciar las

concentraciones del campo eléctrico en cada una de las fases cuando cada una se tiene con un

mismo valor de permitividad relativa (3) en el cable semi-aislado y el espaciador. Los valores

máximos de concentración de campo eléctrico que se exhiben en las tres Figuras (3.18, 3.19 y

3.20) fueron compilados en la Tabla 3.1, para llevar a cabo una comparación del

comportamiento que se presentó al realizar las simulaciones.

Capítulo 3

42

Fig. 3. 18 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase A energizada al valor pico,

permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3.

Fig. 3.19 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase B energizada al

valor pico, permitividad relativa del espaciador 3, permitividad relativa del aislamiento del cable 3.

Capítulo 3

43

Fig. 3. 20 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal Fase C energizada al valor pico,


Los datos recopilados en la Tabla 3.1, especifican la magnitud del campo encontrado en cada

una de las fases para los tres casos diferentes, es decir, alimentando consecutivamente la fase

A, B y C con el valor pico. Destacando que el comportamiento del campo eléctrico varía

dependiendo de la fase que sea alimentada, como podemos observar en la Tabla 3.1. Al

alimentar por la fase B la concentración del campo es de mayor magnitud en la fase

alimentada y en las restantes existe una concentración menor, en cambio cuando se alimenta

por la fase C la magnitud es menor (en la fase) y se tiene un balance en cuanto a la magnitud

del campo en las tres fases.

Tabla 3.1 Comportamiento del máximo campo eléctrico entre el espaciador y el cable semi-aislado.

Número de Fase Campo Eléctrico [E] [

]

Alimentando la fase A Alimentando la fase B Alimentando la fase C

A

B

C

Capítulo 3

44

Para obtener los valores de campo eléctrico en los brazos del espaciador, se tuvo que

seleccionar el contorno del área en donde entran en contacto los conductores y el espaciador,

como se muestra en la Figura 3.21, ya que es en esa zona específica donde se concentra la

mayor cantidad del campo eléctrico en el espaciador.

Fig. 3.21 Área del brazo del espaciador (en azul) donde soporta al conductor y entra en contacto con el mismo,

que fue utilizado para la medición del campo eléctrico en el espaciador.

3.6. Modelado del Campo Eléctrico del Sistema Cable-Aislador

tipo alfiler

En este caso en la simulación que se presenta en la Figura 3.22 se aplicó una tensión con valor

pico en la fase B, mientras que las fases A y C se mantenían con valores negativos de la mitad

de la tensión aplicada al sistema. En las siguientes dos simulaciones se intercalaron los valores

pico, es decir, en la segunda simulación se aplicó un valor pico a la fase A, mientras que las

fases B y C cuentan con un valor de -0.5 el valor pico de la tensión del sistema de 23 kV, en la

última simulación se aplicó la tensión de valor pico por fase (C) y dejando las otras dos fases

restantes con un valor de -0.5 el valor pico. Los valores de permitividad relativa considerados

en este caso son de 3 para el aislador y 3 para el aislamiento del cable.

En la Figura 3.22 se muestra una de las simulaciones, donde claramente se pueden observar la

distribución de tensión que se generan entre los aisladores al ser alimentados. Las fases se

Capítulo 3

45

consideraron de izquierda a derecha, es decir, fase A, fase B y fase C. La Tabla 3.2 muestra

los valores obtenidos en las simulaciones.

Fig. 3. 22 Distribución de potencial en el modelo de un sistema de distribución de 23 kV, con la fase B a valor pico, y las

fases A y C con un valores de la mitad del valor pico.

Tabla 3.2 Máximo campo eléctrico en los aisladores del modelo de la Figura 3.22.

Número de Fase Campo Eléctrico [

]

Alimentación por A Alimentación por B Alimentación por C

A

B

C

Para llevar a cabo las mediciones del campo eléctrico en los aisladores, fue necesario

seleccionar el área donde se encuentran en contacto los aisladores y los conductores. A

continuación en la Figura 3.23, se muestra la imagen del contorno del área seleccionada, en

color azul, para realizar las mediciones de campo eléctrico en los aisladores. Como se puede

apreciar justo en medio del área seleccionada se observan líneas que representan el conductor

semi-aislado que pasa por el aislador. De igual manera, es imprecindible mencionar que para

Capítulo 3

46

todas las pruebas que se les hizo a los aisladores, fue este contorno el que se tomó en cuenta

para registrar el campo eléctrico.

Fig. 3.23 Área del canal donde el aislador soporta a los conductores y de donde fueron tomadas las muestras de

concentracón de campo eléctrico en los aisladores.

Las Figuras 3.24, 3.25 y 3.26; son muestras del comportamiento de la concentración de campo

electrico entre los cables semi-aislados y los aisladores tipo alfiler, cabe mencionar que

cuando el sistema es alimentado por una fase (ya sea A, B o C) el comportamiento del campo

eléctrico entre los elementos del sistema tiende a ser similar. Los picos máximos que se

observan en las gráficas de las Figuras antes mencionadas, representran el campo eléctrico en

el áre de contacto entre el cable semi-aislado y el ailsador. Esto se debe a que en el canal de

aislador el campo eléctrico es menor y un poco más constante, pero al llegar a los bordes

(principio o final) del canal el campo se incrementa bruscamente. Los datos recabados con

estas simulaciones, concuerdan con los casos que se presentan en las LD, es decir, que las

descargas parciales en las LD desgastan los bordes de los aisladores y posiblemente generen la

caida de la línea.

Capítulo 3

47

Fig. 3.24 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase A y el cable

conductor.

Fig. 3.25 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase B y el cable

conductor.

Capítulo 3

48

Fig. 3.26 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el aislador de la fase y el cable

conductor.

.

Capítulo 4

49

Capítulo 4

Efecto de la compatibilidad dieléctrica entre materiales en

la distribución de campo eléctrico en la superficie del

conductor

Capítulo 4

50

4.1 Introducción

En este capítulo se muestra el estudio detallado del efecto de la compatibilidad dieléctrica en

los sistemas conductor-espaciador y conductor-aislador. También se analizan los efectos en la

intensidad del campo eléctrico diferentes formas de alimentación durante pruebas de

compatibilidad. Para llevar a cabo las diferentes simulaciones se consideró que el sistema

trifásico con valores instantáneos con una relación Vn:-0.5Vn:-0.5Vn para cada una de las fases

respectivamente. Vn es el valor pico de la tensión definido por:

√

√ Ec. 4.1

Mientras que:

√

√ Ec. 4.1

La Figura 4.1, muestra gráficamente esta condición instantánea en un sistema trifásico. En este

caso el valor pico de tensión se tiene en la fase B, pero es la misma condición para los casos

en los cuales el valor pico se toma en la fase A o en la fase C, como se puede ver en la figura.

Capítulo 4

51

Fig. 4.1 Oscilograma de tensión de un sistema trifásico para mostrar los valores instantáneos de tensión en que se

consideran en la simulación.

4.2 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del

campo en el sistema Cable-Espaciador

La permitividad dieléctrica de los materiales utilizados en los sistemas de distribución

compactos juega un papel muy importante, porque de esta propiedad dependerá el tiempo de

vida útil que tenga el propio sistema y sus elementos. Asegurando la compatibilidad

dieléctrica entre los materiales involucrados en los sistemas, se puede disminuir la

concentración de campo en los elementos, logrando una reducción en la probabilidad de daños

prematuros en los materiales y consecuentemente una reducción en el número de fallas. Lo

anteriormente mencionado, se debe a que existirá una reducción de la intensidad del campo

eléctrico entre los elementos del sistema.

Capítulo 4

52

Una diferencia de permitividad dieléctrica entre los elementos utilizados en las LD, se refleja

en un cambio de la intensidad de campo eléctrico en zonas de contacto. Esta diferencia

determina la intensidad de campo entre los materiales, dependiendo de los valores de

permitividad dieléctrica de los elementos del sistema, la concentración podrá a aumentar o a

disminuir.

La Figura 4.2 muestra el efecto de una diferencia en la permitividad de los materiales.

Modificando y aumentando únicamente la permitividad relativa del espaciador, podemos

observar en la Tabla 4.1 los valores obtenidos de las barras indicadoras que se encuentra al

costado derecho de cada figura, que la concentración de campo eléctrico aumenta cada vez

que se modifican los valores de permitividad del espaciador. Para el caso de la Figura 4.2 se

tomó en cuenta el cambió de la permitividad relativa del conductor, es decir, el espaciador se

mantiene con un valor constante de 3 mientras que el recubrimiento aislante del conductor con

un valor de 4.

Fig. 4. 2 Distribución de campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada al valor pico,


Capítulo 4

53

En cambio cuando se modifican y varían las permitividades del conductor semi-aislado la

concentración de campo, a pesar de que aumenta, se considera moderada en comparación de la

figura anterior (Figura 4.2) donde se modificaba la permitividad del espaciador. Estos cambios

se observan en la Figura 4.3.

Fig. 4. 3 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada al valor pico,


Los datos recopilados en la Tabla 4.1, solamente muestran la concentración de campo en la

fase A, ya que se toma en cuenta que el comportamiento en las fases restantes y al ser

alimentadas a potencial nominal presentan un comportamiento similar. Además como

anteriormente se mencionó, se destaca que el comportamiento del campo varia notoriamente

dependiendo del cambio de permitividad que se lleve a cabo, es decir, al espaciador o al cable

semi-aislado. La tabla parte de la consideración de los valores de igual propiedad de la

permitividad relativa de los materiales ( ) que componen al sistema, resaltado

en la tabla con color azul. En la Tabla 4.1 se expresa una E que representa al espaciador,

mientras que C representa al conductor semi-aislado.

Capítulo 4

54

Tabla 4. 1 Comportamiento del campo eléctrico máximo con el cambio de la Permitividad dieléctrica del cable

semi-aislado y el espaciador.

Fase Permitividad Relativa

A

C E C E C E C E C E C E C E 3 6 3 5 3 4 3 3 4 3 5 3 6 3

4.3 Efecto de la permitividad dieléctrica en la magnitud del

campo en el sistema Cable-Aislador

Para el análisis del comportamiento del campo eléctrico y los efectos que sufre el mismo con

el cambio de la permitividad dieléctrica de los materiales, se tomó únicamente en cuenta la

fase B a un potencial pico nominal. Para los otros dos casos, cuando se alimenta por la fase A

y C, se considera que el comportamiento es similar como es el caso del punto 4.2 de este

capítulo. Los valores de concentración de campo eléctrico, que se generaron entre el aislador y

los conductores semi-aislados, se recopilaron de las tres fases para observar el

comportamiento del propio campo presente en los aisladores por el tipo de alimentación que se

toma en cuenta para estas simulaciones. La concentración de campo mostrado en la Figura 4.4,

como se mencionó anteriormente, solamente muestra cuando se energiza la fase B a valor

nominal y se toma en cuenta las condiciones explicadas al principio del capítulo 4 para la

Figura 4.1.

Capítulo 4

55

Fig. 4. 4 Distribución de potencial en el modelo del sistema cable-aislador con cambio de permitividad relativa dieléctrica.

Permitividad relativa del aislamiento del cable 3, permitividad relativa del espaciador 6; alimentado por la fase B a valor pico.

Los datos registrados en la Tabla 4.2, muestran el comportamiento del campo eléctrico

máximo mientras el sistema está siendo alimentado por la fase B a un potencial nominal y las

dos fases restantes a un potencial de -0.5Vn, y cambiando los valores de permitividad

dieléctrica del aislador.

Capítulo 4

56

Tabla 4.2 Comportamiento del campo eléctrico máximo entre el aislador tipo alfiler y el cable semi-aislado

cuando se hace el cambio de las permitividades relativas, con la fase B a potencial nominal y las fases restantes

con un potencial de -0.5Vn.

Concentración de

campo en Fase

Permitividad Relativa

Conductor Aislador Conductor Aislador Conductor Aislador

3 3 3 6 3 7

A

B

C

Analizando los datos obtenidos podemos determinar que gran parte de la concentración de

campo eléctrico dependerá de la diferencia de permitividad de los materiales que se vean

involucrados en el sistema. De igual forma, se observa que el campo aumenta

considerablemente cuando la diferencia de permitividad es excesiva por las propiedades de los

materiales del sistema, tal es el caso para las dos últimas simulaciones. No solamente la

concentración de campo aumenta en la fase que se encuentra a tensión nominal, si no que en

las fases restantes (A y C) también existe un incremento de un poco más de la mitad del

campo máximo presente en el sistema. Esto implica que es muy importante encontrar

materiales con permitividades compatibles, ya que de esa forma se reduce el esfuerzo eléctrico

en todo el sistema.

4.4 Efecto de la forma de energizar un sistema de Cable semi-

aislado y espaciador durante pruebas de compatibilidad

El desgaste que se presenta en la zona de contacto entre espaciador o aislador y cable está

siendo utilizado como parámetro a medir en pruebas de envejecimiento de estos sistemas.

Estas pruebas se llevaron a cabo en cámaras donde se aplica niebla salina. Estas pruebas son

Capítulo 4

57

conocidas como de compatibilidad y sirven para probar diferentes propiedades de los

materiales o diseños. Existen tres tipos de configuraciones que se utilizan para probar el

sistema cable-espaciador, que intentan poner a prueba la efectividad del propio sistema

simulando los posibles factores a los que estará sometido cuando sea instalado. Estas tres

pruebas se representan en la Figura 4.5, y son las siguientes:

Energización del sistema con alimentación trifásica ( Figura 4.5 (a)).

Una sola fase para alimentar el arreglo, es decir, los tres conductores de fase con la

misma tensión (Figura 4.5 (c)).

Energización de una fase a la vez con las restantes a tierra (sistema monofásico),

intercalando la posición de la fase en otros espaciadores (Figura 4.5 (b)).

Fig. 4. 5 Configuraciones para energizar durante las pruebas de compatibilidad dieléctrica.

Las tres configuraciones, se realizan para analizar el comportamiento del campo eléctrico y los

efectos que tiene éste sobre los materiales que componen al equipo instalado en las LD. La

disponibilidad de fuentes trifásicas en las cámaras de prueba son las que definen en muchos

casos el uso de una u otra configuración.

Capítulo 4

58

4.4.1 Energizando el sistema con alimentación trifásica ( ).

Como se mostró en el capítulo anterior este procedimiento consiste en alimentar los tres

conductores que son soportados por el espaciador, dos de ellos a un potencial menor al

potencial nominal como se explica al principio de este capítulo con ayuda de la Figura 4.1.

Este método se aplica intercalando las tres fases por separado bajo las condiciones antes

mencionadas y es la condición que realmente se presenta en los sistemas una vez en operación.

El comportamiento que se obtuvo con esta simulación es el mismo visto en la sección 3.4,

debido a que la simulación se realizó bajo las mismas condiciones. Con los datos obtenidos en

la Tabla 3.1, se determina que el comportamiento del sistema se encuentra en un SD compacto

real.

4.4.2 Energizando las tres fases al mismo potencial.

El procedimiento que se llevó a cabo para realizar esta simulación, constó en suponer tres

conductores semi-aislados soportados por un espaciador, y los tres conductores se encuentran

al mismo potencial (una sola fase). Este proceso se lleva a cabo en pruebas a los SD

compactos por medio de un alimentador de una sola fase que pasa a través de los tres canales o

ganchos que soportan a los conductores, esto debido a que solamente se cuenta con un

transformador monofásico para realizar las pruebas y aplicarles potencial.

Con los resultados de la simulación, se observa que esta configuración provoca que la

concentración de campo eléctrico se desplace de los ganchos que soportan a los conductores

de fase, donde debería de concentrarse el campo en condiciones reales, hacia el hilo de guarda.

Aunque la concentración del campo eléctrico en el hilo de guarda es alta, no presenta valores

superiores a los que se observó con las simulaciones anteriores, pero el hecho de que exista

semejante esfuerzo en esa zona implica que el sistema esté expuesto a posibles fallas por

descomposición prematura en esta zona del espaciador en vez de en las fases. La Figura 4.6

muestra como el campo eléctrico se concentra en el gancho por el cual el espaciador se soporta

Capítulo 4

59

del hilo de guarda y no se presenta en las fases, la magnitud máxima de concentración de

campo promedio es de aproximadamente ⁄ .

Fig. 4. 6 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fases A, B y C energizadas a tensión

nominal.

La Figura 4.7, muesta los picos de campo eléctrico que se crean sobre el área de contacto entre

el gancho del espaciador y el hilo de guarda. Los picos se presentan en el área que existe en las

orillas del espaciador, ya que a traves del canal que tiene el gancho del espaciador, la

consentración de campo es más uniforme. De los picos registrados sobre esa área de contacto

fue que se saco el promedio de la consentación de campo eléctrico en los espaciadores.

Capítulo 4

60

Fig. 4.7 Magnitud del campo eléctrico en el borde del área de contacto entre el espaciador y el hilo de guarda,

cuando se energizan las tres fases a tensión nominal.

4.4.3 Energizando una fase a la vez con las restantes a tierra

Otra configuración de prueba que se realiza a los espaciadores tipo poligonales consta de

colocar alrededor de 4 o 5 a lo largo de una cámara salina (cámara de alta contaminación) y

pasar a través de sus ganchos un solo conductor semi-aislado, simulando que dos de los

ganchos donde soportan a los conductores están conectados a tierra o tienen un potencial igual

a cero, mientras que el gancho sobrante se le monta el conductor energizado, intercalándolo a

través de los demás espaciadores (montándolo en un gancho distinto). Este mismo proceso se

realizó en las simulaciones, donde dos fases y el hilo de guarda se consideran con un potencial

igual a cero, mientras que la fase restante se consideraba a un potencial nominal de fase a

Capítulo 4

61

tierra. Este proceso se llevó a cabo para las tres posiciones del conductor energizado y

tomando los otros dos restantes conectadas a tierra. A continuación en las Figuras 4.7, 4.8 y

4.9; se muestran los resultados de simulación de las tres configuraciones.

Fig. 4. 8 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase A energizada a tensión nominal

mientras que las fases B y C se encuentran a un potencial igual con cero.

Capítulo 4

62

Fig. 4. 9 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase B energizada a tensión nominal

mientras que las fases Ay C se encuentran a un potencial igual con cero.

Fig. 4. 10 Distribución del campo eléctrico en la superficie del espaciador tipo poligonal. Fase C energizada a tensión nominal

mientras que las fases A y B se encuentran a un potencial igual con cero.

Capítulo 4

63

Como se puede observar de las tres Figuras anteriores (4.7, 4.8 y 4.9), en el borde de las fases

sometidas a potencial resalta un color rojizo el cual es señal de un alto esfuerzo y

concentración de campo eléctrico. Sin embargo la concentración del campo en cada uno de los

casos el comportamiento de la magnitud varía y tiende a disminuir mientras más alejada se

encuentra la fase sometida a potencial del hilo de guarda.

En la Tabla 4.3 se concentran todos los datos obtenidos de la prueba, donde el

comportamiento del campo eléctrico máximo cambia dependiendo de la fase que sea

alimentada, ya que mientras más lejos esté el conductor con potencial nominal, la

concentración de campo en las fases disminuye. Los recuadros rellenos con color azul de la

Tabla 4.3, indican la fase que está siendo alimentada a tensión nominal, de igual forma que

para indicar la concentración máxima de campo eléctrico en el sistema y observar como

disminuye según se aleja del hilo de guarda (potencial cero).

Tabla 4.3 Máximo campo eléctrico en el espaciador por su forma característica de alimentación, una fase con

potencial nominal y las otras dos con potencial a tierra.

Fase Campo Eléctrico [

]

Alimentando la fase A Alimentando la fase B Alimentando la fase C

A

B

C

Capítulo 5

64

Conclusiones

Existen diversos factores que afectan la continuidad de los sistemas de distribución, entre los

más comunes están: los ambientales, la fauna e inclusive comportamientos inapropiados de la

población. Estos provocan que el flujo de energía sea interrumpido o que exista un deterioro

prematuro de los elementos instalados en los SD. Lo anterior se ve reflejado en una reducción

de la confiabilidad del sistema y por lo tanto de la calidad de la energía eléctrica que es

suministrada por las compañías eléctricas.

Con la implementación de nuevas configuraciones y materiales utilizados en los sistemas de

distribución, se han reducido considerablemente el número de interrupciones en el suministro

de energía, demostrando mejorías en la calidad de servicio brindado a los usuarios. Sin

embargo, aún no se logra contrarrestar los efectos negativos que provocan la presencia de altos

campos eléctricos generados en la zona de contacto de dos o más materiales que cuentan con

permitividades distintas.

Esta diferencia de permitividad dieléctrica entre materiales, crea desgastes prematuros en los

conductores, espaciadores y aisladores debido a la alta concentración de campo eléctrico y su

distribución en el área de contacto en los equipos en cuestión. Descargas superficiales en estas

zonas pueden llegar a dañar el recubrimiento aislante así como a los espaciadores o aisladores

que pueden llegar a sufrir desprendimiento de fragmentos componentes de los mismos e

incluso la caída de los cables.

De los datos obtenidos en capítulos anteriores, se demuestra como la compatibilidad

dieléctrica entre materiales que constituyen a los equipos, influirá sobre la intensidad del

campo eléctrico concentrado entre ambos. Asimismo, que dependiendo de la propiedad

dieléctrica que se modifique, es decir, si se cambia la permitividad relativa del material que

constituye al cable semi-aislado, espaciador o aislador, se verá una variación en la

concentración de campo eléctrico. El contar con una permitividad idéntica en los materiales

asegura la menor concentración de campo en la zona de contacto, pero es importante

Capítulo 5

65

mencionar que de cualquier manera el campo es muy intenso, por lo que el uso de materiales

de alta resistencia a la erosión por descargas superficiales es la mejor opción.

En el caso del sistema aislador-cable semi-aislado, al presentar una diferencia significativa la

permitividad del aislador (usualmente de cerámica) con respecto a la del cable el campo es

mayor que en el caso del espaciador.

Como se mostró en el capítulo 4, la configuración que se utilice para energizar un sistema bajo

pruebas de compatibilidad, modificará considerablemente los resultados de distribución de

esfuerzos. Es necesario que la prueba reproduzca lo que el sistema vera una vez en campo, por

lo que energizar con un sistema trifásico resulta la opción más adecuada.

Trabajos Futuros

Un obstáculo para el tema fue la experimentación, ya que los laboratorios con los que se

cuentan no tienen los equipos o elementos ni el espacio para llevar a cabo pruebas, además de

que el costo de los materiales requeridos puede ser muy costoso . Por lo tanto un avance en el

tema implicaría realizar pruebas experimentales para comprobar o compararlas con las

simulaciones realizadas.

De igual forma una línea de trabajo futuro podría ser el modificar las propiedades de los

materiales para incrementar su resistencia a las descargas superficiales mediante el uso de

rellenos nano y micrométricos.

66

Referencias Bibliográficas

[1] Brian Wareing, “Wood Pole Overhead Lines”, New Cover, Institution of Engineering

and Technology, London, United Kingdom, 2008, Chapter 9.

[2] Matthew N. O. Sadiku, “Elementos de Electromagnetismo”, Alfaomega, 3ra Edición, N°

de paginas 767.

[3] M. J. Pereira, “Avaliação e Redução das Degradações em Contatos Elétricos”,

FURNAS E. S. Costa, CEPEL. 2003

[4] James D. Bouford, “Spacer Cable Reduces Tree Caused Customer Interruptions”,

IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, págs. 1-3, Syst. Studies at

TRC Engineering, Augusta, Maine, Abril 2008.

[5] Subdirección de Distribución y Comercialización de Luz y Fuerza del Centro, “Sistema

para red aérea compacta en 23kV”, Junio 2005.

[6] G. Murtaza Hashmi, Matti Lehtonen, “Covered-Conductor Overhead Distribution Line

Modeling and Experimental Verification for Determining its Line Characteristics”,

IEEE, Power Systems and High Voltage Engineering Laboratory, Helsinki University of

Technology, Johannesburg, South Africa, July 2007.

[7] Matti Lehtonen, “Fault Rates of Different Types of Medium Voltage Power Lines in

Different Environments”, IEEE Electric Power Quality and Supply Reliability Conference

(PQ), School of Science and Technology, págs. 197-202, Department of Electrical

Engineering, Aalto University, Espoo, Finland June 2010.

[8] IEEE Power & Energy Society, “Guide for Improving the Lightning Performance of

Electric Power Overhead Distribution Lines”, New York, USA, 2011.

[9] J. B. Wareing, “Covered Conductor Systems for Distribution”, EA Technology,

December 2005.

67

[10] AutoCAD® User Manual

[11] COMSOL Multiphysics 4.1® User Manual

[12] http://www.cfe.gob.mx/QUIENESSOMOS/ESTADISTICAS/Paginas/Transmisionydistribucion.aspx, Abril

2012.

[13] Isaías Ramírez Vázquez, Fermín P. Espino Cortés, “Electric Field Analysis of Spacer

Cable Systems from Compact Overhead Distribution Lines”, IEEE, Mexico City, 2012.

[14] John Sebire, Kong Souprounovich, “Covered Conductors System for Distribution

Stage 2: High Voltage Covered Conductor from an Australian Perspective”, Australia.

[15] Hendrix Wire & Cable Inc., “Covered Conductors-Spacer Cable Systems”.

[16] Juan Antonio Yebra Morón, “Sistemas Eléctricos de Distribución”, Primera edición,

México DF, Editorial Reverté 2009, pag 2.

[17] Vatcharin Saithongin, Boonchai Techaumnat, “Numerical Analysis of Electric Field at

the Contact Point Between a Spacer Aerial Cable and a Spacer”, IEEE Electrical

Engineering and Informatics (ICEEI), págs. 1-5Electrical Engineering Department,

Chulalongkorn Univistity, Bangkok, Thailand July 2011.

[18] NMX-J-098-ANCE-1999

[19] Mauricio. R. Soares, Fernando. R. M. Britto, Fumitaka. Nishimura, Liliane. D. Cicarelli,

“Spacer Cable and ABC Distribution Lines a Long-Term Analysis”, IEEE, Companhia

Energética de Minas Gerais, ALCOA, Brazil, 1996.

http://www.cfe.gob.mx/QUIENESSOMOS/ESTADISTICAS/Paginas/Transmisionydistribucion.aspx

68

Anexos

Tabla A.1. 1 Tensiones Eléctricas Normalizadas [18]

Clasificación Tensión Eléctrica Nominal del Sistema [V] Tensión del Servicio [V]

Tensión Nominal

de Utilización

[V] ( ) ( ) ( ) Máximo Mínimo

Baja Tensión

120/240

480

220Y/127

480Y/277

126/252

231/133,3

504/291

504

108/216

198/114,3

432/249,4

432

115/230

208Y/120

460Y/265

460

Media

Tensión

2400

4160

13800

23000

34500

13800Y/7970

23000Y/13280

34500Y/19920

2520

4268

7245

14490

14490/8366

24150

24150/13943

36225

36225/20915

2160

3744

6210

12420

12420/7171

20700

20700/11951

31050

31050/17927

2300

4000

6600

13200

Alta Tensión

69000

85000

115000

138000

161000

230000

72450

89250

120750

144900

169050

241500

62100

76500

103500

124200

144900

207000

Extra Alta

Tensión 400000 420000 360000

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12105/1/estudio...ii RESUMEN...

Documents

Transcript of INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONALtesis.ipn.mx/jspui/bitstream/123456789/12105/1/estudio...ii RESUMEN...