INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL - PDF Descargar libre (2023)

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECANICA Y ELÉCTRICA PRUEBAS ELÉCTRICAS EN CAMPO A CONDUCTORES DE ENERGÍA DE MEDIA TENSIÓN T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA P R E S E N T A MARÍN RUÍZ FERNANDO DARÍO PÉREZ MORENO OSCAR ALDAIR RUÍZ ÁVILA NÉSTOR JOAQUÍN ASESOR TÉCNICO: Ing. Rubén de Jesús Navarro Bustos ASESOR METODOLÓGICO: M. en C. Jorge Herrera Ayala MÉXICO, D. F. 2012

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3 MARIN RUÍZ FERNANDO DARÍO Agradezco A Dios quien me ha heredado el tesoro más grande y valioso que puede dársele a un hijo "sus padres". A mis padres María Eugenia Ruíz Islas y Fernando Marín Godínez quienes sin escatimar esfuerzo alguno sacrificaron gran parte de su vida para brindarme una educación adecuada. A mi hermano, que sin ser su responsabilidad me ha apoyado y aconsejado para terminar este largo camino. A mi asesor de tesis el Ing. Rubén de Jesús Navarro Bustos, por la orientación, ayuda, apoyo y amistad brindada para la realización de esta tesis. A Oscar y Nestor por haber sido buenos compañeros de tesis y de toda la carrera, pero sobretodo muy buenos amigos. A mi gran amigo Christian Martínez Corona quien me ha brindado su apoyo incondicional durante toda mi carrera. Y a todas aquellas personas (familia y amigos) que comparten conmigo este triunfo. Expresándome con gran admiración, amor y respeto. Gracias.

4 Con profundo agradecimiento DIOS gracias por darme la fuerza que me ha impulsado a lograr todo lo que soy y tengo hasta el día de hoy, por tu amor y por conceder mis anhelos. Raúl Pérez Cano y Teodora Moreno García los amo y agradezco el amor y apoyo que siempre he recibido de ustedes y con el cual he alcanzado este objetivo, terminando mis estudios profesionales, que es para mí la mejor de las herencias. A mis hermanos Erika & Israel por ser un ejemplo de superación, apoyo y completar la más hermosa familia que pude haber tenido. A mis amigos Fernando y Néstor, con los que conseguí la culminación de esta gran etapa en mi vida, siendo ellos una segunda familia y con los que compartí gratos momentos. Al Ingeniero Rubén de Jesús Navarro Bustos por su aportación, experiencia y apoyo en la realización de esta tesis. Conociendo que nunca encontraré la forma de agradecer su constante apoyo y confianza, sólo espero que comprendan que mis ideales, esfuerzos y logros han sido también suyos e inspirados en ustedes. OSCAR ALDAIR PÉREZ MORENO

5 RUÍZ AVÍLA NÉSTOR JOAQUÍN Con amor A mis padres María Lucila Ávila Barrón y Joaquín Máximo Ruiz Cruz, como un testimonio de amor y retribución por el cariño que han impregnado en mi a lo largo de mi vida, por haberme dado la existencia, valores morales y formación profesional. Por el ejemplo de vida que me han fundado y el apoyo incondicional, Porque sin petición, han sacrificado gran parte de su vida para formarme y guiarme de la mejor manera, porque nada se compara con los desvelos y preocupaciones que les cause, porque sin importar la manera, siempre me brindaron todo lo que necesite, y porque nunca terminare de agradecer y retribuir todo lo que me han dado. Con respeto A mi asesor, el Ingeniero Rubén de Jesús Navarro Bustos, porque encontró la manera de explotar mis conocimientos y aplicarlos para un bien, porque me enseño la importancia de ser un ingeniero y el compromiso que este tiene ante la sociedad.

6 OBJETIVO Describir los procedimientos de pruebas eléctricas en campo a conductores de energía de media tensión, ofreciendo condiciones seguras de operación basándose en criterios de aceptación y rechazo. OBJETIVOS PARTICULARES Describir en forma técnica un alimentador de media tensión. Conocer las fallas eléctricas más comunes. Cumplir con las normas nacionales e internacionales. Dar a conocer las pruebas de campo a conductores y las medidas de seguridad establecidas para su realización. i

7 INTRODUCCIÓN Desde siempre la electricidad ha sido un factor indispensable para el ser humano, las características eléctricas que poseen los elementos proporcionan ventajas cuando se encuentra una aplicación de manera adecuada, de modo que el desarrollo tecnológico ha evolucionado a tal magnitud que hoy día industrias, hospitales, escuelas, residencias, etc., dependen del uso de este recurso, tal importancia ha llevado al punto que el nivel económico de cualquier país se mida por el consumo energético per cápita. Los defectos en aislamientos producen riesgo en las instalaciones, debido a que durante el almacenaje, transporte e instalación de conductores estos sufren daños y al ponerlos en servicio sin haber sido probados, hasta el simple hecho de estar en servicio durante cierto tiempo, y no realizar el mantenimiento adecuado, elevan el riesgo por fallas, acortamiento de su vida útil y no ofrecer seguridad al personal, arriesgando su integridad física. Erróneamente se piensa principalmente en satisfacer la demanda de energía eléctrica a como dé lugar por lo que en constantes ocasiones se realiza acosta de la seguridad de la instalación, motivo por el cual esta tesis precisa en describir los procedimientos para la realización de pruebas eléctricas en campo de manera segura y ofrecer criterios sobre las condiciones de operación, es decir, si cumplen o no con los parámetros adecuados de funcionamiento En tanto que un aspecto fundamental de la tesis hace referencia a la normatividad necesaria como los requisitos establecidos en el reglamento de la ley de servicio público de energía eléctrica. Asimismo el cumplimiento obligado de la Norma Oficial Mexicana vigente NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas (utilización), Normas Mexicanas (NMX) y recomendaciones o criterios de asociaciones internacionales como el IEEE e IEC donde se manifiestan los requerimientos técnicos para el buen funcionamiento y descripción de los procedimientos para la realización de pruebas, evitando poner en riesgo al personal que opere, de esta manera se avala que los conductores instalados cumplan con las requisitos de operación garantizando su puesta en servicio o continuidad de operación. Durante el capítulo II se realiza una descripción técnica de un alimentador en media tensión, tocando temas como los tipos conductores y sus características: cobre y aluminio, aislamientos utilizados. A partir del capítulo III se habla de los tipos de fallas donde se incluyen factores internos y externos, de los cuales se destacan: mano de obra no calificada poniendo en riesgo el material instalado, tomando factores como la tensión de jalado, que puedan alterar sus condiciones de operación y que aumenten el nivel de riesgo del alimentador, en consecuencia al equipo eléctrico. Dentro de los factores que alteran la funcionalidad de una instalación eléctrica, se destacan, las sobretensiones, que comúnmente pueden ser provocadas por descargas atmosféricas, y sobrecorrientes que son originadas debido a sobrecargas o circuitos cortos, las cuales son originadas por fallas monofásicas principalmente, bifásica a tierra, entre fases, y fallas trifásicas. ii

8 El tema fundamental son las pruebas eléctricas en campo a conductores de media tensión para dar criterios de aceptación o rechazo sobre su puesta en servicio o continuidad en operación fundamentando normativamente estas pruebas en normas mexicanas y estándares internacionales, descritos en el capítulo IV, en esta sección se presenta especial atención para la descripción de las medidas de seguridad que se deben imponer para la realización de las pruebas, bajo qué condiciones es posible la realización de los procedimientos del ensayo y bajo qué condiciones no deben realizarse, además se hace una descripción de los equipos de prueba, donde se mencionan las características de estos. Dentro de los procedimientos se especifican los parámetros aplicados a la prueba, es decir, magnitudes eléctricas de aplicación y tiempos de duración de las pruebas, como anexos se proporciona una serie de métodos de detección de fallas con el fin de complementar la información en caso de que sea necesaria su localización. iii

9 Capítulo I En este capítulo se describen las bases teóricas sobre la normatividad y la evolución de los aislamientos con el paso del tiempo, dando a conocer los principales materiales utilizados para la construcción de alimentadores y características que cada uno de ellos presentan. 1

10 1. BASES TEÓRICAS En México durante el régimen de Porfirio Díaz se otorgó al sector eléctrico el carácter de servicio público, y en 1881 la Compañía Mexicana de Gas y Luz Eléctrica se encargó del alumbrado público residencial en la capital de la República Mexicana, 4años más tarde las instalaciones alcanzaban 100 km de longitud. Al alumbrado público siguió el uso de la electricidad en el transporte. Se estima que en 1900 la capacidad de generación de electricidad instalada en México era de 22.3 MW, de los cuales el 44% correspondía a plantas construidas por fábricas textiles en Orizaba, Veracruz, Monterrey, Nuevo León y Atlixco, Puebla (empresas privadas). Para 1910 eran 50 MW, de los cuales 80% los generaba The Mexican Light and Power Company. En 1937 México tenía 18.3 millones de habitantes, de los cuales únicamente siete millones contaban con electricidad, proporcionada con serias dificultades por tres empresas privadas (The Mexican Light and Power Company, de origen canadiense, en el centro del país; la sociedad The American and Foreign Power Company, con tres sistemas interconectados en la región del norte de México, y la Compañía Eléctrica de Chapala, en el occidente) en ese momento las interrupciones de energía eran constantes y las tarifas muy altas, debido a que esas empresas se enfocaban a los mercados urbanos más redituables, sin contemplar a las poblaciones rurales, donde habitaba mayor parte de la población (más de 62% ). Figura 1. 1 DISTRIBUCIÓN DE CONDUCTORES DE ENERGÍA Para dar respuesta a esa situación que no permitía el desarrollo del país, el gobierno federal creó, el 14 de agosto de 1937, la Comisión Federal de Electricidad (CFE), que tendría por objeto organizar y dirigir un sistema nacional de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. CFE comenzó a construir plantas generadoras (hidroeléctricas y termoeléctricas), para ampliar las redes de transmisión y distribución. 2

11 En 1960 la capacidad instalada en el sector eléctrico nacional era de MW, para 1975 cambio a MW, durante ese periodo se tenían consumidores y se contaba con líneas de alimentación en 115 kv y de 161 kv, posteriormente, a mediados de los años sesenta se contaba con el primer enlace de 400 kv. Al finalizar esa década se superó el reto de sostener el ritmo de crecimiento al instalarse, centrales generadoras que dieron una capacidad instalada de 17,360 MW. Cabe mencionar que en los inicios de la industria eléctrica mexicana operaban varios sistemas aislados, con características técnicas diferentes, llegando a coexistir casi 30 tensiones de distribución, siete de alta tensión para líneas de transmisión y dos frecuencias eléctricas de 50 y 60 Hertz. Esta situación dificultaba el suministro de electricidad, por lo que CFE definió y unificó los criterios técnicos y económicos del Sistema Eléctrico Nacional, normalizando las tensiones de operación, con la finalidad de estandarizar los equipos, reducir sus costos y los tiempos de fabricación, almacenaje e inventariado. Posteriormente se unificaron las frecuencias a 60 Hertz y CFE integró los sistemas de transmisión en el Sistema Interconectado Nacional. Para conducir la electricidad desde las plantas de generación hasta los consumidores finales se requiere de redes de transmisión y de distribución, integradas por las líneas de conducción de alta, media y baja tensión. El consumo de energía eléctrica mide la producción de las centrales eléctricas y de las plantas de cogeneración, menos las perdidas ocurridas en la transmisión, distribución, transformación y el consumo de las plantas de cogeneración, marcando el nivel de desarrollo económico de un país, siendo países desarrollados los que tienen un mayor consumo de electricidad. En la tabla 1.1 se muestran los consumos hasta 1 de enero del Tabla 1. 1CONSUMO ENERGÉTICO PER-CÁPITA MUNDIAL 1 País Consumo de electricidad per cápita (kwh por habitante) ALEMANIA 6,718 BRASIL 1,987 CHINA 2,572 ESTADOS UNIDOS 12,365 MEXICO 1, CONDUCTORES Con el constante crecimiento de los sistemas eléctricos de potencia, fue indispensable el avance tecnológico de los conductores de energía con los que se distribuye la electricidad. Por ello se presenta el siguiente análisis COBRE (CU) Es un metal sumamente dúctil y maleable de un color rojizo pardo brillante, y uno de los mejores conductores del calor y la electricidad. Existe abundantemente en la naturaleza, 1www.indexmundi.com/g/r.aspx?t=0&v=74&l=es, 20 de abril del 2012 a la 18:45 pm 3

12 tanto en el estado nativo, como en la forma de diversos minerales constituidos por óxidos y sulfuros. Metalurgia del Cobre En el beneficio del cobre se siguen dos procedimientos de acuerdo a su composición mineral. Los que contienen cobre nativo o en forma de sulfuros se someten al proceso de la fundición. Los óxidos se disuelven mediante reactivos adecuados, para recuperar después el cobre por precipitación y refinación. El mineral de cobre se funde dos veces, la primera tiene por objeto obtener la mata de cobre, o sea, una mezcla de sulfuros de cobre y hierro, esta operación se realiza separando el cobre del azufre y el hierro; esto se consigue fundiéndola en un horno convertidor en presencia de una corriente de aire constante. El azufre se escapa en forma de dióxido de azufre (SO2), y el hierro se convierte en óxido que se elimina en la escoria. El producto se conoce como cobre negro (Blíster), este se somete a la refinación electrolítica que se efectúa haciendo pasar una corriente eléctrica por una solución acidulada (Sulfato de Cobre CuSO4). El ánodo lo constituye el cobre que se desea refinar y para el cátodo se utiliza cobre puro. El cobre electrolítico suele poseer una pureza que fluctúa entre y por ciento y la mínima requerida para la fabricación de conductores eléctricos es de 99.9 por ciento ALUMINIO (AL) Es un metal dúctil y maleable, de un color plateado, buen conductor de calor y electricidad. No existe en estado nativo en la naturaleza, siendo muy abundante en el silicato de alúmina y en bauxita (óxido de aluminio). Metalurgia del Aluminio. Se obtiene por medios electrolíticos, mezclando la bauxita purificada (óxido de aluminio, Al 2 O 3 ), con criolita fundida (fluoruro doble de aluminio y sodio, Na 3 AlF 6 ), a una temperatura de 980 C en un crisol de carbón que sirve como electrodo negativo. El electrodo positivo está formado por carbón. Entre ambos se hace pasar una corriente eléctrica continua depositándose el aluminio fundido en el fondo del crisol, de donde es sangrado (termino siderúrgico de colado) hacia las lingoteras, y/o al proceso de colada continua para obtener rollos de alambrón de aluminio PLOMO (PB) Es un metal blando y maleable, muy denso, de color gris opaco, y se funde a C. El plomo existe en estado nativo pero es muy raro y se obtiene principalmente de la galena (sulfuro de Plomo). Metalurgia del Plomo. Se inicia por tostar la galena a fin de eliminar una parte de azufre. En el caso de concentrados se procede a fundirlos sin ninguna preparación, esto suele efectuarse en un alto horno. La carga consiste en una mezcla de galena, coque y algún fundente ferruginoso. De la parte inferior del horno se extrae el plomo fundido, refinándose después. El plomo puede alcanzar purezas hasta de un por ciento. 4

13 ACERO Es un metal derivado del hierro y está compuesto principalmente de hierro, carbono y manganeso. Metalurgia del Acero El mineral de hierro se combina con coque y caliza, donde se transforman dentro de un horno en metal derretido mediante aire caliente. El metal fundido se deposita en el fondo, es sangrado y transportado a los hornos convertidores y por medio de aire caliente se le queman las impurezas y se añaden carbono y manganeso. Tabla PROPIEDADES DE LOS METALES 2 Cobre temple suave Aluminio Plomo Acero Número Atómico Peso especifico, gr/cm 3 Coeficiente de temperatura por ºC a 20 ºC Conductividad eléctrica (I.A.C.S.), % Conductividad térmica, cal /cm Temperatura de Fusión, ºC Coeficiente de dilatación lineal por ºC Calor especifico, cal/gr/ºc Resistividad volumétrica a 20 ºC. Ω Resistividad eléctrica (Ω, en mm a 20 ºC) x x x x Esfuerzo a la tensión, temple duro, kg/cm 2 Esfuerzo a la tensión, temple duro, kg/cm 2 Modulo de elasticidad, kg/cm 2 Resistencia al corte, kg/cm 2 Resistencia limite de fluencia, kg/cm AISLAMIENTO Con el transcurso de los años la innovación tecnológica de los alimentadores obligo a sustituir en totalidad las líneas aéreas por conductores que primeramente otorgaran mayor seguridad a los equipos eléctricos y en consecuencia a los usuarios, otro punto que se busca era reducir los espacios ocupados por estas instalaciones eléctricas, motivo por el cual surgió una alternativa de nuevos conductores: los conductores subterráneos, siendo una nueva opción en el siglo XX. Para 1930 aparece el policloruro de vinilo (PVC), primer termoplástico que se empleó como aislamiento para baja tensión. Su uso original se limitó inicialmente a una temperatura de operación de 60 C, para lugares secos y para tensiones de 600 volts. Posteriormente se 2Manual-Eléctrico-Viakon, archivo electrónico PDF. 5

14 desarrollaron compuestos de PVC para 60 ó 75 C en presencia de agua, así como los de 90 C ó 105 C y con características mejoradas de baja emisión de humos, no propagadores de incendio y de bajo contenido de gas ácido. Durante la Segunda Guerra Mundial, debido a la poca disponibilidad de hule natural, surgió la necesidad de desarrollar nuevos materiales sintéticos, que por lo menos sirvieran como aislamientos de baja tensión. En Alemania, se implementó el hule estireno-butadieno, conocido como elastómero o hule GRS (Government Rubber Styrene, Caucho de Estireno del Gobierno). En poco tiempo la industria de aislamientos para conductores eléctricos logró desarrollar una gran cantidad y mejores aislamientos. A partir de 1945 se fueron desarrollando excelentes materiales tanto elastómeros, como termoplásticos que han permitido un excelente progreso en la industria de conductores, entre estos materiales se tiene el hule butilo, el polietileno convencional, el polietileno de cadena cruzada o polietileno vulcanizado, el etileno propileno, el polietileno clorosulfonado, el polietileno clorado, el hule silicón, etc. Los primeros conductores para media tensión que surgieron utilizaban papel impregnado de aceite como cubierta de aislamiento y operaban con tensiones de hasta 25 kv. Este tipo de aislamiento se forma principalmente por la aplicación de tiras de papel en forma helicoidal sobre el conductor metálico. Se colocan sucesivamente, una capa tras otra, hasta obtener el espesor de aislamiento adecuado para la tensión a la que operara el conductor. Una vez logrado el espesor total del aislamiento, el conductor se somete a un secado de alto vacío donde se le extrae la humedad para después pasar al proceso de impregnación en aceite de altas propiedades dieléctricas. Posteriormente se aplica sobre el conductor una cubierta protectora de plomo por medio de un proceso de extrusión. El papel impregnado en aceite tiene excelentes propiedades dieléctricas. Factor de potencia (Fp), % Constante dieléctrica, SIC 3-5 Constante de resistencia de aislamiento (K), 3 000MΩ-km Rigidez dieléctrica, c.a., 22kV/mm Rigidez dieléctrica, Impulsos, 73kV/mm. De los valores de factor de potencia y de constante dieléctrica en este tipo de conductor, las pérdidas dieléctricas son mínimas y el espesor reducido del aislamiento de papel queda justificado por su alta rigidez dieléctrica. En un principio la forma de contrarrestar el efecto del campo eléctrico en el conductor fue incrementando el aislamiento, de manera que los conductores tenían capas de mayor grosor de aislamiento. A partir de 1950 el aluminio comenzó a remplazar paulatinamente al cobre en las líneas de transmisión por ciertas ventajas que ofrecen sobre el cobre, entre ellas su menor peso y menor costo del material. En materia de aislamientos, el polietileno tenía su auge como material aislante en conductores para sistemas de distribución de energía, donde su desempeño lo coloco como uno de los materiales con mejores características en aquella época, una de ellas es que ofrecía niveles bajos de pérdidas de energía en el propio conductor, en 6

15 comparación con otros alimentadores y sus aislamientos, posteriormente se encargaría de remplazar a los materiales aislantes que se utilizaban hasta ese momento POLIETILENO CLOROSULFONADO, (CP) (HYPALON), (CSPE) Este material es de aplicación más reciente que el neopreno, en la industria manufacturera de conductores eléctricos. Está especificado por la Norma NMX-J- 061 como aislamiento de los conductores tipo RHH y RHW. Puede emplearse como un compuesto aislamiento-cubierta integral para muchos tipos de conductores, especialmente del tipo automotriz. Posee buenas cualidades eléctricas para usarse como un aislamiento eléctrico de baja tensión. Posee una gran resistencia al ozono y al efecto corona. Tiene muy buena resistencia al calor y a la humedad y pueden prepararse formulaciones especiales para muy bajas temperaturas. Su constante dieléctrica, su factor de potencia y otras características eléctricas no permiten aplicarlo como un aislamiento para altas tensiones. Es resistente al calor, a intemperie, al oxígeno y a los aceites POLIETILENO (PE) Es un material termoplástico constituido por cadenas lineales o ramificadas de monómeros de etileno. Fue desarrollado en 1937 y abundantemente fabricado en los Estados Unidos a partir de Eléctricamente el polietileno poseía el mejor conjunto de cualidades en un aislamiento sólido: Alta rigidez dieléctrica. Bajo factor de potencia. Constante dieléctrica. Alta resistividad volumétrica. Sus propiedades mecánicas son buenas, sin embargo sus limitaciones principales son: Poca resistencia a la flama. Termo plasticidad. Deterioro por la acción de los rayos ultravioleta. Poca resistencia a la ionización. El polietileno convencional está normalizado como aislamiento para conductores para 600 ó volts, cuya temperatura de operación en el conductor no exceda los 75 C.Por sus buenas propiedades mecánicas y su alta resistencia a la humedad, también se emplea para cubiertas exteriores en conductores de comunicaciones subterráneos o aéreos. 7

16 POLIETILENO DE CADENA CRUZADA (XLPE O XLP) La evolución continúo con el polietileno de cadena cruzada (XLPE), se produjo por la combinación de un polietileno termoplástico y un peróxido orgánico adecuado bajo ciertas condiciones de presión y temperatura, las buenas cualidades mecánicas que son: Buena resistencia a la compresión. Deformación térmica. Excelente resistencia al envejecimiento por altas y bajas temperaturas. Alta resistencia al impacto y deformación. Pueden ir enterrados directamente. Resistente a la luz solar. Sus cualidades eléctricas son: Rigidez dieléctrica. Factor de potencia. Constantes dieléctricas. Estabilidad eléctrica en agua. Mayor seguridad de operación en bajas y altas temperaturas. Es altamente resistente al ozono, a la humedad y a los productos químicos. El polietileno vulcanizado es un aislamiento para temperaturas de 90 C en operación normal, 130 C en condiciones de emergencia y 250 C en condiciones de circuito corto y se ha llegado a emplear en conductores de energía para tensiones de: 69, 115, 230 y 400 kv. Las cuales hacen sobresalir a este tipo de aislamientos NORMALIZACIÓN La transmisión de la energía eléctrica por líneas aéreas sigue siendo uno de los elementos más importantes de los sistemas eléctricos de la actualidad. Los sistemas de transmisión entregan la energía desde plantas generadoras a las estaciones industriales y a subestaciones eléctricas, desde las cuales los sistemas de distribución proporcionan el servicio a zonas residenciales, comerciales, y además debe cumplir con lo dispuesto en: 1. Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica 2. Reglamento de la Ley del Servicio Público de Energía Eléctrica 3. Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas (utilización) 4. NMX-J-142-ANCE NMX-J-444-ANCE NOM-029-STPS NOM-017-STPS Ley Federal de Metrología y Normalización, su Reglamentación. 9. Norma Oficial Mexicana NOM-008-SCFI-2002, Sistema General de Unidades de Medida 8

17 A lo largo de la historia, la humanidad ha desarrollado la necesidad del mejoramiento continuo, basándose primordialmente en el perfeccionamiento de procesos tecnológicos y productivos, con el fin de optimizar los recursos disponibles, que pueden ser materiales, equipo y maquinarias. Desde que la humanidad se organizó las normas empezaron a tomar un papel importante en las actividades del ser humano, ayudando a instaurar estándares internacionales de calidad, a nivel público y privado, ayudando a tener suficientes herramientas de control en políticas concernientes a medio ambiente, salud, agricultura, seguridad del usuario y consumidores. Los propósitos vitales de la normalización son la simplificación, unificación y especificación. A través del cual se establecen la terminología, simbología, clasificación, directrices, especificaciones, atributos, características, métodos de prueba o las prescripciones aplicables a un producto, proceso o servicio NORMALIZACIÓN ELÉCTRICA Para poder homogeneizar la fabricación de material y equipos eléctricos, sobre todo lo que representa dimensiones físicas, características constructivas, de operación, de seguridad, de servicio y medio ambiente, la simbología utilizada en la representación de equipos y sistemas, se han creado las: Normas Técnicas En proyectos eléctricos, las normas indican desde la manera como se deben hacer las representaciones simbólicas, las gráficas, las especificaciones de las formas de montaje y prueba a que deben someterse los materiales y equipos eléctricos. Cada país cuenta con sus propias normas, desarrolladas en base a las necesidades y experiencias acumuladas por los especialistas. Entre las normas eléctricas internacionales más utilizadas son: National Electrical Code (NEC). American National Standards Institute (ANSI). National Electrical Manufacturers Association (NEMA). The Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. (IEEE). International Organization for Standardization (ISO).[5] NORMALIZACIÓN EN MÉXICO La Ley de Servicio Público publicada el 22 de diciembre de 1975 establece en el Artículo 1 que: Corresponde exclusivamente a la Nación, generar, conducir, trasformar, distribuir y abastecer energía eléctrica que tenga por objeto la prestación de servicio público en base a los términos del Artículo 27 Constitucional. En esta materia no se otorgarán 9

18 concesiones a los particulares y la Nación aprovechará, a través de la Comisión Federal de Electricidad, los bienes y recursos naturales que se requieran para dichos fines. 3 El Artículo 27 que establece: La propiedad de las tierras y aguas comprendidas dentro de los límites del territorio nacional, corresponde originariamente a la nación, la cual ha tenido y tiene el derecho de transmitir el dominio de ellas a los particulares, constituyendo la propiedad privada. 4 En cuanto a la institución encargada del abastecimiento de energía eléctrica (CFE), debe garantizar la continuidad del servicio. En el país se decretó desde el 1 de junio de 1992 la LEY FEDERAL SOBRE METROLOGÍA Y NORMALIZACIÓN (las primicias básicas en el proceso de normalización son representatividad, consenso, consulta pública, modificación y actualización) define el Sistema Mexicano de Evaluación de la Conformidad, que comprende la certificación obligatoria (NOM) o voluntaria (NMX). En el área de productos eléctricos y electrónicos, delegando la acreditación, pruebas y certificación a las siguientes organizaciones: Dirección General de Normas (DGN): Acredita a los organismos de certificación y emite certificados de productos para las cuales no exista un organismo de certificación. Entidad mexicana de Acreditación (EMA): Evalúa y acredita Unidades de Verificación, Laboratorios de Prueba y/o calibración así como Organismos de Certificación. Asociación de Normalización y Certificación A.C. (ANCE): Responsable de la emisión de normas y de la certificación de productos eléctricos, tales como electrodomésticos. Este organismo es también un laboratorio de pruebas acreditado y aprobado nacionalmente. Normalización y Certificación Electrónica A.C. (NYCE): Responsable del desarrollo de normas y de la certificación de productos electrónicos. 3Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica. 4CONSTITUCON POLITICA DE LOS ESTADO UNIDOS MEXICANOS, Editorial SISTA, México D.F

19 NORMAS NACIONALES Este proceso se lleva a cabo mediante la elaboración, expedición y difusión a nivel nacional, de las normas que pueden ser: Normas Oficiales Mexicanas. Abreviada como: NOM, PROY-NOM ó NOM-EM Es la regulación técnica de observancia obligatoria expedida por las dependencias normalizadoras competentes a través de sus respectivos Comités Consultivos Nacionales de Normalización, de conformidad con las finalidades establecidas en el artículo 40 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización, establece reglas, especificaciones, atributos, directrices, características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología, embalaje marcado o etiquetado y las que se le refieran a su cumplimiento o aplicación. Normas Mexicanas. Abreviada como: NMX ó PROY-NMX Es la que elabora un organismo nacional de normalización, de conformidad con lo dispuesto por el artículo 54 de la LFMN, en los términos de la LFMN, que prevé para uso común y repetido reglas, especificaciones, atributos métodos de prueba, directrices, características o prescripciones aplicables a un producto, proceso, instalación, sistema, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología, embalaje, marcado o etiquetado. En principio es de aplicación voluntaria. Normas de Referencia. Son las que elaboran las entidades de la administración pública de conformidad con lo dispuesto por el artículo 67 de la LFMN, para aplicarlas a los bienes o servicios que adquieren, arrienden o contratan cuando las normas mexicanas o internacionales no cubran los requerimientos de las mismas o sus especificaciones resulten obsoletas o inaplicables CERTIFICACIÓN La Dirección General de Normas tiene entre sus funciones conceder la aprobación de los organismos de certificación, unidades de verificación, laboratorios de calibración y laboratorios de pruebas, que contribuyen en la evaluación de la conformidad, cuyo objeto es comprobar que un producto, servicio o proceso cumpla con las especificaciones señaladas en las normas oficiales mexicanas ORGANISMOS DE CERTIFICACIÓN Son instituciones compuestas por los sectores: productor, distribuidor, comercializador, prestador de servicios, consumidor, instituciones educativas y científicas, que tienen como propósito social efectuar actividades de certificación. Los organismos de certificación garantizan dentro de su estructura administrativa y funcional que operan con imparcialidad, capacidad técnica, material y humana adecuada a sus funciones. 11

20 UNIDADES DE VERIFICACIÓN Son personas físicas o morales, que tienen la organización, el personal, la capacidad e integridad para cooperar en la evaluación de la conformidad, a través de la comprobación, mediante muestreos, mediciones, pruebas de laboratorio o examen de documentos en un momento o tiempo determinado, con la confianza de que los servicios que presta son conducidos con competencia técnica, imparcialidad y confidencialidad LABORATORIOS DE PRUEBAS Los laboratorios de pruebas, son instituciones pertenecientes a los sectores: productor, distribuidor, comercializador, prestador de servicios, consumidor, instituciones educativas y científicas, que contribuyen en la evaluación de la conformidad a través de la aplicación de métodos de prueba. Los laboratorios de pruebas respaldan dentro de su estructura administrativa y funcional que operan con imparcialidad, independencia, integridad, confidencialidad y con capacidad técnica, material y humana LABORATORIOS DE CALIBRACIÓN Los laboratorios de calibración, proporcionan servicios técnicos de medición y calibración por actividad específica con trazabilidad a los patrones nacionales o internacionales aceptados por la Secretaría de Economía, o en su defecto a normas extranjeras o internacionales confiables a juicio de ésta. Los laboratorios de calibración ofrecen dentro de su organización administrativa y eficaz que operan con integridad, imparcialidad, confidencialidad y competencia técnica, material y humana. 12

21 Capítulo II Durante este capítulo se realiza una descripción sobre los componentes de un alimentador, y una comparación entre los materiales utilizados indicando las propiedades de estos elementos. Se establece cuales con las bases que se deben tomar en cuenta al realizar la selección del tamaño de un conductor, y cuáles son las funciones de cada uno de los elementos que componen el alimentador. 13

22 2. MARCO TEÓRICO-CONCEPTUAL 2.1. SELECCIÓN DE CONDUCTORES Los elementos que se deben considerar para una buena elección de conductores son los siguientes: Material. Flexibilidad. Forma. Dimensiones MATERIAL En las instalaciones eléctricas los materiales que más se utilizan hoy en día son cobre y aluminio, esto debido, a que los conductores de cobre poseen óptimas características tanto eléctricas como mecánicas, mientras que los de aluminio son muy ligeros, con lo cual han dado lugar a construcción de conductores aislados y desnudos, siendo las líneas de transmisión y distribución, es decir, alta y media tensión lugares adecuados para el uso de este tipo de material. En la tabla se muestran las más importantes características de los metales que son utilizados para la fabricación de conductores, incluyendo materiales que son utilizados de forma indirecta en un conductor como lo son el plomo para la impermeabilidad, acero que es usado para la armadura y soporte mecánico del conductor. Tabla PROPIEDADES COMPARATIVAS DE MATERIALES EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS Metal Densidad Temperatura de fusión Coeficiente lineal de dilatación Resistividad eléctrica a 20 C Coeficiente térmico de resistividad eléctrica a 20 C Conductivida d eléctrica g / cm 3 C x 10-6 / C Ω-mm 2 / km 1 / C % IACS* Acero Aluminio Cobre duro Cobre suave Plomo Zinc * IACS: International Annealed Copper Standard. Patrón internacional para el cobre suave o recocido, igual a 100% de conductividad. 14

23 Con la tabla se compara de mejor forma las particularidades de conductores que son fabricados con cobre y aluminio, como ejemplo de ello se hace mención al peso del aluminio que es de 2.70 g/cm 3, siendo mayor el del cobre el cual asciende a los 8.89 g/cm 3 lo que es más de tres veces el peso del aluminio. Tabla COMPARACIÓN DE CARACTERÍSTICAS ENTRE COBRE Y ALUMINIO Características Cobre Aluminio Para igual volumen: relación de pesos Para igual conductancia: relación de áreas relación de diámetros relación de pesos Para la misma capacidad de conducción de corriente: relación de áreas relación de diámetros relación de pesos Para igual diámetro: relación de resistencias capacidad de corriente Cuando el material usado en la manufactura de conductores es el cobre, se tiene otra clasificación de acuerdo al temple del cobre, es decir, el grado de suavidad de este, donde se encuentra el suave (recocido), semiduro y duro. Así como los conductores de aluminio y cobre pueden tener diferentes aplicaciones, lo mismo sucede con el temple de los conductores de cobre, debido a que conductores con mayor grado de dureza poseen alta resistencia a tensión mecánica, mientras que el cobre suave es el que conserva mayores características de conductividad eléctrica, por lo que es el más usado para el uso de conductores. Las diferencias entre estos tipos de dureza de cobre y aluminio se comparan en la tabla Tabla TEMPLES DE COBRE Y ALUMINIO a) Temples de cobre Temple Conductividad % IACS* Esfuerzo de tensión a la ruptura kgf/mm 2 Cobre suave Cobre semiduro Cobre duro Temple b) Temples de aluminio Conductividad % IACS* (valores mínimos) Esfuerzo de tensión a la ruptura kgf/mm 2 H HF HD O

24 c) Equivalencias entre designaciones de temple de aluminio Nombre descriptivo del temple Clave internacional ISO Clave EUA ANSI ¾ duro HF H16 y H26 ½ duro HD H14 y H24 * IACS: International Annealed Copper Standard. Patrón internacional para cobre recocido, igual a 100% de conductividad. El significado de las letras empleadas para denotar los temples que aparecen en la tabla a) es el siguiente: H: Endurecido por tensión mecánica. Se aplica al aluminio cuyo esfuerzo es incrementado por endurecimiento mecánico, con o sin tratamiento térmico suplementario. Después de la letra H se coloca una letra en la clave internacional (ISO) o dos o más dígitos en la clave de EUA (ANSI). HD, HF y HG: La segunda letra indica, en orden alfabético progresivo, el grado ascendente del esfuerzo de ruptura, desde él HA hasta el HH FLEXIBILIDAD La flexibilidad que presenta un conductor puede alcanzarse de dos formas diferentes, la primera es haciendo un recocido del material, mientras que la segunda es ampliando la cantidad de alambres de los que está constituido. El proceso de alambrado, consiste en agrupan varios hilos y se tiene como resultado distintos grados de flexibilidad, que se encuentran clasificados por el número total de hilos que lo forman, la longitud de los hilos agrupados y el tipo de cuerda. La clasificación de acuerdo al número de alambres se representa con letras del alfabeto como se indica en la tabla N , de acuerdo a recomendaciones de las normas ASTM (American Society for Testing Materials, Sociedad Americana para Pruebas de Materiales). Tabla CLASES DE CABLEADO. 5 Clase Aplicación AA Conductor desnudo, generalmente para líneas aéreas Conductor aislado, tipo intemperie, o conductores desnudos que requieran mayor A flexibilidad que la de la clase AA Conductor aislado con materiales diversos, tales como papel, hule, plástico, etc., o B* conductores del tipo anterior que requerirán mayor flexibilidad C y D Conductores aislados que requieran mayor flexibilidad que la clase B Conductores portátiles con aislamiento de hule, para alimentación de aparatos o G similares Conductores y cordones con aislamiento de hule que requieran mucha flexibilidad. H Por ejemplo, conductores que tengan que enrollarse y desenrollarse continuamente y que tengan que pasar por poleas I Conductores para aparatos especiales J Cordones para artefactos eléctricos K Conductores portátiles y para soldadoras eléctricas Cordones portátiles y para artefactos pequeños que requieran mayor flexibilidad que L la de las clases anteriores M Conductores para soldadoras tipo porta electrodos, para calentadores y para lámparas Cordones pequeños para calentadores que requieran mayor flexibilidad que los O anteriores P Cordones más flexibles que en las clases anteriores Q Cordón para ventiladores oscilantes, flexibilidad máxima *Los conductores de media tensión, objeto de esta tesis, utilizan en su construcción conductores clase B. 5 NMX-J-012-ANCE-2002 Sección 4 16

25 FORMA Los conductores que son utilizados en media tensión pueden tener varias formas, siendo las más comunes y usadas en conductores aislados las siguientes: Redonda. Sectorial. Segmental. Los conductores que tienen sección transversal circular son utilizados en alimentadores monoconductores y en alimentadores multiconductores, con cualquier clase de aislamiento. Los conductores que son de tamaño reducidos, 8.37 mm 2 (8 AWG) o de menor dimensión, por lo regular son alambres sólidos, mientras los que tienen tamaños mayores están hechos con varios hilos formando un conductor. Si los alambres son de gran dimensionamiento, es decir, mayor diámetro, el torcido de los mismos se realiza en capas concéntricas en torno a un núcleo de uno o más alambres. El conductor obtenido es denominado "conductor concéntrico". Este tipo de conductor es el que usualmente se emplea para las clases AA, A, B, C y D. Con reiteración es beneficioso reducir el diámetro de un conductor concéntrico, y esto se encuentra más frecuentemente en calibres grandes, para disminuir sus dimensiones y de esta forma lograr que la superficie cilíndrica del conductor sea uniforme, por medio de ello se logran mayores provechos en propiedades eléctricas. La manera en que se reducen las dimensiones de un conductor, es por medio de un dado para poderlo comprimir. El conductor a final del proceso nos otorgara un conductor redondo compacto. Un conductor sectorial es formado por un conductor cuya sección transversal es un sector de círculo. Los conductores sectoriales tienen su principal aplicación y es fácil encontrarlos en conductores de energía trifásicos, ya que este tipo de conductores tienen tamaños superiores a 53.5 mm 2 (1/0 AWG). En estos, los conductores sectoriales involucran una reducción en el número de rellenos y el diámetro sobre la reunión de las tres estructuras, permitiendo reducciones sustanciales en los revestimientos de protección. Las ventajas que presenta un conductor sectorial con respecto a un conductor redondo, son las siguientes: Menor diámetro. Menor peso. Costo más bajo. Como en cualquier comparación a la par de las ventajas que poseen ciertos conductores, también presentan algunas desventajas: Menor flexibilidad. Mayor dificultad en la ejecución de las uniones. 17

26 Cuando son utilizados conductores de energía en alta tensión, regularmente en tensiones de 115 kv y 230 kv, se emplean conductores segmentales para tamaños de conductores arriba del 1000 kcmil. Esta categoría de conductores los segmentos están aislados entre sí. Además este tipo presentan una menor resistencia a la corriente alterna comparándolos con su equivalente a los conductores redondos por tener un menor efecto piel que éstos DIMENSIONES Figura FORMAS DE CONDUCTORES. La medida de los conductores indica su geometría. Como son circulares, es equivalente indicar su diámetro o su sección transversal (el área del hilo/hilos que lo forman). A partir de este valor, y conociendo el material con el que están fabricados (generalmente cobre o aluminio), es posible inferir sus principales características mecánicas y eléctricas ESCALA AWG Desde hace años, los tamaños de los conductores se han expresado comercialmente por números. Esta práctica ha traído consigo ciertas confusiones, debido al gran número de escalas de tamaños que se han utilizado. La escala más usada para conductores destinados a usos eléctricos es la AWG (American Wire Gage), también conocida como la "Brown and Sharpe Gage". Esta escala fue ideada en 1857 por J.R. Brown y tiene la propiedad de que sus dimensiones representan aproximadamente los pasos sucesivos del proceso de estirado de los hilos, además de que sus números son regresivos. Un número mayor representa un conductor de menor diámetro, correspondiendo a los pasos de estirado. 18

27 A diferencia de otras escalas, los tamaños del AWG no se han escogido arbitrariamente, sino que están relacionados por una ley matemática (ecuación 2a). La escala se formó fijando dos diámetros y estableciendo una ley de progresión geométrica para diámetros intermedios. Los diámetros base seleccionados son pulgadas (tamaño 4/0) y pulgadas (tamaño 36), existiendo 38 dimensiones entre estos dos. Por lo tanto, la razón entre un diámetro cualquiera y el diámetro siguiente en la escala está dada por la expresión: Esta progresión geométrica puede expresarse como sigue: La razón entre dos diámetros consecutivos en la escala es constante e igual a Para secciones superiores a 4/0 se define el conductor directamente por área en el sistema inglés de medida. Las unidades adoptadas en Estados Unidos con este fin son: Mil, para diámetros, siendo una unidad de longitud igual a una milésima de pulgada. Circular mil, para áreas, unidad que representa el área del círculo de un mil de diámetro. Tal círculo tiene un área de mils cuadrados. kcmil. Para secciones mayores se emplea la unidad designada por las siglas kcmil (anteriormente MCM o KCM), que equivale a mil circular mils ESCALA MILIMÉTRICA IEC La escala de la "International Electrotechnical Commission" (IEC), es la más usada en la actualidad, con excepción de Estados Unidos y la mayor parte de los países latinoamericanos. La escala consiste en proporcionar la medida directa de la sección transversal de los conductores en milímetros cuadrados. En las tablas , y se muestran los valores correspondientes de la escala AWG, su equivalente en mm 2 y el tamaño en la escala milimétrica IEC. Hay una serie de reglas aproximadas útiles que deben recordarse y que son aplicables a la escala de tamaño AWG o kcmil: 1 kcmil = mm 2. Para conversiones rápidas es aceptable la relación: 2 kcmil = 1 mm 2. El incremento de tres números en el calibre (verbigracia del 10 AWG al 7 AWG) duplica el área y el peso, por lo tanto, reduce a la mitad la resistencia a la corriente directa. El incremento en seis números de tamaño (verbigracia del 10 AWG al 4 AWG) duplica el diámetro. El incremento en 10 números de tamaño (verbigracia del 10 AWG al 1/0 AWG) multiplica área y peso por 10 y divide entre 10 la resistencia. 19

28 Tabla CONSTRUCCIONES PREFERENTES DE CONDUCTOR DE COBRE CON HILADO REDONDO COMPACTO (CLASE B) Área de la Diámetro Peso Designación sección exterior Número de nominal transversal nominal hilos mm 2 AWG mm 2 mm kg/km kcmil / / / /

29 Tabla CONSTRUCCIONES PREFERENTES DE CONDUCTOR DE ALUMINIO CON HILADO REDONDO COMPACTO (CLASE B) Designación Área de la sección transversal Diámetro exterior Peso nominal Número de nominal hilos mm 2 mm kg/km AWG kcmil / / / / Tabla CONSTRUCCIONES PREFERENTES LOS CONDUCTORES DE COBRE CON HILADO CONCÉNTRICO NORMAL Y COMPRIMIDO (CLASE B) Área de la Diámetro de Diámetro del conductor Designación sección Número de cada hilo mm transversal hilos mm 2 mm 2 mm Normal Comprimido COMPARACIÓN DE AISLAMIENTOS El principal empleo que tiene el aislamiento es para proteger contra circuito corto y falla a tierra. Los aislamientos tienen diversas propiedades, abarcando las exigencias que demandan su aplicación, y de igual manera las repercusiones por su operación, el medio ambiente, envejecimiento, etc., los cuales degradan el aislamiento, dando como resultado fallas, motivo por el cual se hace una buena selección de acuerdo a su uso. El material del aislamiento debe ser capaz de soportar una temperatura de operación en el conductor de 90 C en condiciones de operación normal, 130 C en condiciones de emergencia, limitándose esta condición a h acumulativas durante la vida del conductor y no más de 100 h en doce meses consecutivos. 6 6 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

30 Al igual que sucede con los conductores, se identifican características importantes, que determinan la selección de los aislamientos, siendo los siguientes: Características eléctricas. Características mecánicas MATERIALES Cuando se va a elegir un determinado aislamiento para un conductor, se tiene en cuenta cada una de las características de acuerdo a su uso, las cuales se encuentran englobadas en el aspecto técnico. En el ámbito de aislamientos eficientes y de calidad se mencionan el papel impregnado, debido tienen una alta confiabilidad, por lo que era usado en gran medida, pero con el transcurso del tiempo y las nuevas tecnologías existen aislamientos del tipo seco, y también progreso en materiales aislantes ya fabricados. Cuando se requiere clasificar a los aislamientos es posible hacer una clasificación en dos grupos y son: a) De papel impregnado. Utiliza papeles específicos de pasta de madera, con celulosa de fibra larga. Los cuales se integran al conductor de la siguiente manera: el conductor aislado con papel se le quita el exceso de humedad y se impregna con aceite dieléctrico, para hacer más eficientes las características del aislante. Dentro de los aceites que son más utilizados para el papel impregnado existen los siguientes, siendo elegidos de acuerdo a su tensión de operación, y la instalación del conductor. Aceite viscoso. Aceite viscoso con resinas refinadas. Aceite viscoso con polímeros de hidrocarburos. Aceite de baja viscosidad. Parafinas microcristalinas del petróleo. El aceite se encarga de ocupar todas las ranuras, prescindiendo de las burbujas de aire en el papel y evitando con esto la ionización. Debido a este motivo, los conductores de energía que cuentan con aislamientos de papel impregnado son más comúnmente utilizados para instalaciones en alta y extra alta tensión. Sus propiedades, ventajas y desventajas en comparación con los aislamientos de tipo seco aparecen en la tabla

31 Tabla PROPIEDADES DE LOS AISLAMIENTOS COMÚNMENTE USADOS EN CONDUCTORES DE ENERGÍA CARACTERÍSTICAS XLP EP Papel impregnado Rigidez dieléctrica, kv/mm, (corriente alterna, elevación rápida) Rigidez dieléctrica, kv/mm (impulsos) Permitividad relativa SIC. (A 60 ciclos, a temp. de op.) Factor de potencia, % máx. (A 60 ciclos, a temp. de op.) Constante K de resistencia de aislamiento a 15.6 C. (MΩ-km) mín Resistencia a la ionización Buena Muy buena Buena Resistencia a la humedad Muy buena Excelente Mala Factor de pérdidas Buena Excelente Buena Flexibilidad Mala Excelente Regular Facilidad de instalación de empalmes y terminales (problemas de humedad o Regular Muy Buena Regular ionización) Temperatura de operación normal ( C) Hasta 9 kv; 95 Hasta 35 kv; 80 Temperatura de sobrecarga ( C) Hasta 9 kv; 100 Hasta 35 kv; 100 Temperatura de circuito corto ( C) Bajo factor de Principales ventajas perdidas; Bajo factor de flexibilidad y pérdidas resistencia a la ionización Principales inconvenientes Rigidez; baja resistencia a la ionización Es atacable por hidrocarburos a temperaturas superiores a 60 C Bajo costo, experiencia en el ramo, excelentes propiedades eléctricas Muy sensible a la penetración de la humedad, requiere tubo de plomo y terminales herméticas b) Aislamientos de tipo seco. Los aislamientos de tipo seco son estructuras cuya resina base es conseguida a causa de la polimerización de diversos y específicos hidrocarburos. A consecuencia de la reacción que estos tengan al calor se clasifican en: Termoplásticos. Son aquellos que cuando es elevada su temperatura, su plasticidad admite conformarlos de cualquier modo, recuperando sus propiedades iniciales al disminuir su temperatura, pero manteniendo la forma que se les fijó. Termofijos. En oposición a los anteriores, después de un proceso inicial similar al anterior, las posteriores elevaciones de temperatura no los suavizan. 23

32 El aislamiento debe consistir de un compuesto extruido, de polietileno de cadena cruzada (XLP), polietileno de cadena cruzada retardante a las arborescencias (XLP-RA), o a base de etileno-propileno (EP), que cumplan con los requisitos especificados en esta norma. 7 Comparación del EP vs. XLP Los materiales que son más utilizados en media tensión en la actualidad para los conductores de energía son, el hule etileno (EP) y el polietileno de cadena cruzada (XLP), los cuales tienen aislamiento extruido. No por ello los conductores con aislamientos del tipo EP y XLP se comportan igualmente bien y con el mismo tiempo de duración bajo las condiciones encontradas en operación normal. La selección debe hacerse, realizando un análisis de su comportamiento en servicio, y de pruebas de laboratorio que correlacionen las exigencias de operación y las que se presenten en su instalación. Tabla PROPIEDADES FÍSICAS DEL AISLAMIENTO 8 Valor Propiedad especificado Método de prueba XLP EP Esfuerzo por tensión a la ruptura en MPa Alargamiento por tensión a la ruptura valor mínimo en 25 NMX-J-178-ANCE 250 % 0 Envejecimiento a 121 C durante 168 h. - Retención del esfuerzo por tensión y alargamiento, valor mínimo en % de los valores sin envejecer NMX-J-186-ANCE Extracción por solventes después de 20 h en % 30 - Alargamiento en caliente y deformación permanente a NMX-J-522-ANCE 150 C ± 2 C Alargamiento máximo en % Deformación permanente máxima en % NMX-J-432-ANCE 7 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

33 Tabla PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS AISLAMIENTOS 9 Propiedad* Valor especificado XLP EP Método de prueba Constante dieléctrica ε a la tensión nominal de fase a tierra, a 60 Hz y temperatura ambiente, valor máximo NMX-J-205- Factor de disipación a la tensión nominal de fase a tierra, a ANCE Hz y temperatura ambiente, valor máximo en %. ** Absorción de humedad método eléctrico. - Constante dieléctrica después de 24 h de inmersión en agua a 75 C y determinada a V/mm, 60 Hz Incremento en la capacitancia a 75 C y determinada a 3 NMX-J V/mm, 60 Hz, valor máximo en %: ANCE de 1 a 14 días de 7 a 14 días Factor de ionización después de 14 días a 75 C, con tensiones de V/mm y V/mm a 60 Hz, valor máximo en %. *** Variación del factor de ionización de 1 a 14 días a 75 C, con NMX-J-205- ANCE tensiones de V/mm y V/mm a 60 Hz, valor máximo en %. *** NOTAS * Las tolerancias para las temperaturas de prueba debe ser de ± 1 C. ** Para el XLP retardante a las arborescencias el factor de disipación (FD) debe ser 0,5 % máximo. *** Solamente requiere cumplir uno de los dos valores, no ambos. Comportamiento en servicio A partir de los años 1961 y 1962 aparece en el mercado para servicio comercial a los conductores aislados con XLP y EP respectivamente. Estos materiales han cumplido satisfactoriamente con las estadísticas de servicio. Siendo los casos de falla, agentes externos como los son daños mecánicos y condiciones ambientales muy particulares, en ocasiones existencia de agua. Las condiciones particulares en el medio ambiente, son identificadas ya que la existencia de agua en los conductores aislados es la más severa para cualquier tipo de material en los conductores de energía. Los conductores aislados con XLP o EP, y adicionados con pantalla sobre el aislamiento integrada de cintas textiles semiconductoras, son susceptibles a la formación de arborescencias cuando se encuentran instalados en lugares húmedos. Las arborescencias (ver figura ) son pasos conductores que se forman dentro del aislamiento y, si bien con el uso de semiconductores extruidos parece haber disminuido la incidencia de las fallas de este tipo, en pruebas de larga duración en agua se ha encontrado que se continúan desarrollando arborescencias potencialmente peligrosas. 9 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

34 Figura ARBORESCENCIAS EN AISLAMIENTOS Las arborescencias son causadas por tres factores concurrentes: Agua en el aislamiento. Tensión aplicada de corriente alterna. Irregularidades en el aislamiento (cavidades, impurezas, protuberancias en las pantallas semiconductoras). El espesor mínimo en cualquier punto no debe ser menor al 90 % del espesor nominal indicado en la tabla

35 Tabla ESPESOR DE AISLAMIENTO, TENSIONES DE PRUEBA Y TAMAÑO DEL CONDUCTOR 10 Tensión entre fases nominal [kv] Designación del conductor Espesor del aislamiento nominal [mm] Categoría Tensión de prueba en c.a. [kv] Categoría Área de la sección transversal nominal [mm 2 ] Tamaño AWG o kcm I II I II Desde 8 hasta a Mayor de Mayor de Desde 13 hasta a Mayor de Mayor de Desde 33.6 hasta a Mayor de Mayor de Desde 42.4hasta a Desde 53.5 hasta /0 a Desde hasta /0 a Desde hasta a Desde hasta a NOTAS 1. La selección del espesor de aislamiento del conductor debe hacerse en base a la tensión entre fases aplicable, como se describe a continuación: a) Categoría I (100 % nivel de aislamiento). Los conductores de esta categoría deben utilizarse en sistemas con neutro conectado sólidamente a tierra y provistos con dispositivos de protección tales que las fallas a tierra se eliminen tan pronto como sea posible, pero en cualquier caso antes de 1 min. También pueden utilizarse en otros sistemas para los cuales sean aceptables, siempre y cuando se cumpla con los requisitos del párrafo anterior. b) Categoría II (133 % nivel de aislamiento). Los conductores de esta categoría corresponden a los anteriormente designados para sistemas con neutro aislado. Estos conductores pueden ser utilizados en los casos en que no puedan cumplirse los requisitos de eliminación de falla de la categoría I (100 % nivel de aislamiento), pero en los que exista una seguridad razonable de que la sección que presenta la falla será desenergizada en un tiempo no mayor de una hora. Asimismo, pueden ser utilizados cuando se requiera un esfuerzo dieléctrico superior al de los conductores con 100 % de nivel de aislamiento. c) En aquellos casos en que los tiempos de eliminación de una falla a tierra sean indefinidos o en el caso de sistemas resonantes conectados a tierra, los espesores de aislamiento y tensiones de prueba deben ser consultados con el fabricante. 2. Cualquier construcción diferente de lo indicado en la tabla , debe ser acordada entre las partes involucradas. a) Para propósitos de esta norma, la tensión nominal es un valor especificado por el comprador para definir los requisitos de aislamiento del conductor. b) En los conductores diseñados para sistemas trifásicos, la tensión nominal se expresa en función de la tensión entre fases. En conductores diseñados para otros sistemas, la tensión se debe expresar en términos adecuados que indiquen claramente la tensión a través del aislamiento. c) La tensión de operación entre fases puede exceder de la tensión nominal en 5 % durante la operación continua del conductor, o en 10 % en un período no mayor de 15 min. 3. Las tensiones de prueba para 5 kv a 46 kv se aplican durante 5 min, para conductores de 69 kv y 115 kv se aplican durante 30 min. Como prueba opcional la tensión se aplica durante 15 min con los valores siguientes: 120 kv para la tensión nominal de 69 kv. 200 kv para la tensión nominal de 115 kv. 10 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

36 Para conductores desde 5 kv y hasta 46 kv y 506,7 mm² (1000 kcm), el diámetro medido sobre el aislamiento debe cumplir con el calculado utilizando las fórmulas indicadas en la tabla , con una tolerancia de ± 0,75 mm. Tabla CÁLCULO DEL DIÁMETRO NOMINAL SOBRE EL AISLAMIENTO 11 Designación del conductor Cálculo del diámetro Área de la sección transversal nominal [mm] nominal [mm 2 Tamaño AWG o kcm ] Desde 8.4 hasta Desde 8 hasta 4/0 C A + 2e Mayor de hasta Mayor de 4/0 hasta C A + 2e Mayor de hasta Mayor de 500 hasta C A + 2e C es el diámetro nominal del conductor en milímetros; A es el valor adicional, véase tabla ; e es el espesor de aislamiento nominal en milímetros, véase tabla Para alimentadores con pantalla sobre el conductor formada por una combinación de cinta semiconductora y capa semiconductora extruida, el diámetro mínimo sobre el aislamiento debe calcularse con la siguiente fórmula: C + 2,00 + A + 2e Área de la sección transversal nominal [mm 2 ] Tabla VALOR ADICIONAL A 12 Tensión nominal [kv] A [mm] Todas las secciones Desde 5 hasta 15 0 Desde 42.4 hasta Mayor de Desde 53.5 hasta Mayor de Todas las secciones Pruebas relacionadas con la operación La selección de conductores aislados con EP o XLP también se puede basar en la comparación del comportamiento en pruebas que simulen las condiciones de operación normal, de sobrecarga y de sobretensiones. 11 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

37 La calificación real para la tensión y temperatura de un conductor debe determinarse tomando en cuenta los factores de esfuerzo que pueden estar presentes durante el servicio. Estos factores se pueden considerar en los tres grandes grupos siguientes: Factores eléctricos. Factores térmicos. Factores ambientales. En correspondencia, las pruebas de laboratorio usadas para simular las condiciones de servicio son las siguientes: Pruebas de ruptura en tensión de corriente alterna y de impulso. Pruebas de envejecimiento bajo ciclos térmicos. Pruebas eléctricas de larga duración en agua. El primer factor, el esfuerzo eléctrico de ruptura, se evalúa a través de pruebas de corto tiempo, de tal manera que las condiciones reales de servicio prácticamente no se toman en cuenta. Por el contrario, en las pruebas de envejecimiento cíclico y larga duración se toman en cuenta los factores térmicos y ambientales junto con los eléctricos. Pruebas de ruptura en tensión de C.A. y de impulso Un conductor EP, es menos propenso a soportar, a temperatura ambiente, tensiones elevadas de C.A. y de impulso que el XLP, únicamente es mejor si el aislamiento del tipo XLP, contiene burbujas o cavidades de grandes dimensiones, o que se desplieguen descargas parciales debido a que las pantallas hayan sido deterioradas. Cuando los conductores llegan a la temperatura de operación (90 C), sobrecarga (130 C) y circuito corto (250 C), es mejor tener un aislamiento del tipo EP. Pues el XLP es propenso a disminuir sus características de resistir tensiones de C.A. y de impulso cuando es sobrepasada la temperatura nominal de operación que es de 90 C. Siendo más perceptible a las temperaturas de emergencia y sobrecarga. Pruebas de envejecimiento cíclico Una de las pruebas de laboratorio más eficaces para acreditar la confiabilidad en servicio de alimentadores de media tensión, son las de envejecimiento cíclico. Para este tipo de ensayos existen varios factores a considerar, siendo más destacable el tiempo en que tarda en presentarse la ruptura, considerándose de igual forma la tan δ y el nivel de descargas parciales. El envejecimiento eléctrico de un buen conductor (libre de descargas) está sustentado por la existencia de microcavidades muy pequeñas que no son localizadas por equipos detectores de descargas parciales. Los conductores que se prueban bajo esfuerzos térmicos, están diseñados para tres escalas de temperatura, cada una relacionada con una duración típica: 29

38 Temperatura de servicio normal o continuo. Temperatura de emergencia por sobrecargas, hasta 100 h por año. Temperatura de circuito corto, normalmente hasta de 1 seg. Las temperaturas nominales para conductores con aislamientos EP, y XLP, son: 90 C en servicio continuo, 180 C en emergencias o sobrecargas y 250 C por circuito corto. Debido a que el coeficiente de expansión térmica del aislamiento XLP, es mayor que el EP, se expande o contrae con mayor sensibilidad a igual cambio de temperatura que el EP. Por ello es menor la confiabilidad a largo tiempo en pantallas con aislamiento XLP. Instalación. Manejo de los conductores Debido a su mayor grado de flexibilidad, el conductor tipo EP, es preferido por ingenieros, ya que facilita el manejo durante la instalación, destacándose en alimentadores de muy altas tensiones. Debido a la dureza de conductores tipo XLP, los extremos se precalientan, con el fin de colocar al conductor en posición adecuada para empalmar. Empalmes y terminales El acabado superficial del tipo XLP es de vital importancia en la preparación de accesorios tanto encintados como pre moldeados, cosa no relevante en el tipo EP. Cuando se efectúan pruebas de tensión y vida, se presentan un gran número de rupturas en terminales no ejecutadas de manera correcta, en XLP (ondulaciones, raspaduras, cortes, etc.), o en pantallas de cintas pequeñas discontinuidades. Aunque las terminales de conductores EP presentan daños similares, no llegan a ser como estos problemas. Este fenómeno es conocido por la fragilidad del XLP a descargas parciales en ciertos puntos sometidos a altos esfuerzos. Un aspecto más a considerar a favor del conductor EP debido al acabado superficial es la llamada resistencia a la absorción de humedad, pues en este tipo es de menor peligrosidad. A causa de las consideraciones anteriores los conductores con aislamiento EP, son más confiables en servicio del XLP. Resaltando las siguientes características: Mayor resistencia a arborescencias en presencia de agua Resistencia a descargas parciales (corona), aunque sean indetectables Mayor estabilidad del esfuerzo dieléctrico con el incremento de las dimensiones del conductor. Mejor retención de las propiedades físicas y eléctricas a las temperaturas de emergencia y de circuito corto Mayor tiempo de vida tanto en condiciones secas como bajo ciclos térmicos y en el agua Menor coeficiente de expansión térmica, lo cual conduce a una mayor estabilidad de los sistemas de pantallas Mayor flexibilidad y facilidad de instalación 30

39 Mayor confiabilidad de los empalmes y terminales CARACTERISTICAS ELÉCTRICAS Rigidez dieléctrica La rigidez dieléctrica de un material aislante es el valor de la intensidad del campo eléctrico al que hay que someterlo para que se produzca una perforación en el aislamiento. Normalmente, este valor es cercano al del gradiente de prueba y de 4 a 5 veces mayor que el gradiente de operación normal. Las unidades en que se expresa este valor por lo común es kv/mm. Gradiente de operación El gradiente o esfuerzo de tensión de operación de un conductor en cualquier punto "X" del aislamiento se calcula con la siguiente expresión: Dónde: Vo = Tensión al neutro del sistema (kv). D = Diámetro sobre el aislamiento (mm). d = Diámetro sobre la pantalla semiconductora que está sobre el conductor (mm). dx = Distancia a la que se desea conocer el valor del gradiente (mm). G = Gradiente o esfuerzo de tensión de operación. De la fórmula anterior se puede obtener el gradiente máximo que se presenta en la parte interna del aislamiento: Y el gradiente mínimo que se presenta en la parte externa del aislamiento: Resistencia de aislamiento 31

40 La resistencia de aislamiento es la que se presenta cuando un conductor presenta una diferencia de potencial con respecto a la parte externa del aislamiento, y por ello se genera una corriente de fuga, por lo que la resistencia que se opone al paso de esta corriente de fuga se llama resistencia de aislamiento (Ra). Idealmente los conductores deben evitar el paso de la corriente de fuga por completo, lo cual se logra si la resistencia de aislamiento tuviera un valor infinito. Para obtener el valor de tal resistencia se utiliza la ecuación 2e. Donde: Ra=Resistencia de aislamiento. da=diámetro exterior del aislamiento del conductor. dp=diámetro del conductor. k= Constante para el aislamiento del material. Los valores de la constante para el aislamiento del material K, vienen dado por el material con el que se encuentre elaborada la cubierta aislante del conductor. Tabla VALOR DE LA CONSTANTE K A 15.6 C Aislamiento K (MΩ km) Polietileno XLP 6100 EP 6100 PVC 610 PVC + Nylon 914 Factor de potencia (Fp) El factor de potencia permite relacionar y calcular las pérdidas del dieléctrico de los conductores de energía. Tangente delta (tan δ) Es un factor que permite relacionar y calcular las pérdidas en el dieléctrico de los conductores de energía y corresponde a la tangente del ángulo δ complementario del ángulo θ. Se puede observar de las definiciones anteriores que para ángulos cercanos a 90, en general es el caso de los aislamientos, el valor del factor de potencia y el de la tan δ es prácticamente el mismo, por lo que ambos valores se utilizan indistintamente para definir las pérdidas en el aislamiento CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS En un principio, el esfuerzo para el desarrollo de compuestos aislantes fue dirigido a las características eléctricas. Las características mecánicas jugaban un papel secundario y estaban definidas por las propiedades intrínsecas de los materiales con que se había logrado la eficiencia máxima en las propiedades eléctricas. Tradicionalmente la protección mecánica era proporcionada únicamente por las cubiertas metálicas, termoplásticas o termofijas. 32

41 Los desarrollos recientes realizados con base en las causas prevalecientes de fallas en conductores, han sido enfocados a hacer resaltar las características mecánicas de los aislamientos, considerándolas junto con las de la cubierta. A continuación se mencionan algunas de las más importantes: Resistencia a la humedad Los conductores de energía frecuentemente entran en contacto con la humedad y el conductor absorbe agua a una velocidad que queda determinada por las temperaturas del medio ambiente, la temperatura en el conductor, la temperatura en el aislamiento y la permeabilidad del aislamiento y cubierta. El método usual para cuantificar la resistencia a la penetración de humedad es la medición gravimétrica de la cantidad de agua absorbida por los aislamientos después de sumergirlos en agua caliente durante un cierto periodo. Los aislamientos de papel resultan los más sensibles a la absorción de humedad, por lo que es prácticamente imposible utilizarlos sin cubierta metálica adecuada, con las consecuentes desventajas de manejo e instalación. Para el caso de los aislamientos sólidos que se encuentran en contacto con agua, el valor gravimétrico de absorción de humedad no es por sí solo un índice para calificar el comportamiento del material en presencia de humedad, sobre todo cuando al mismo tiempo se tiene un potencial aplicado en el mismo. La evidencia muestra que la absorción de humedad es causa de fallas que se presentan en forma de ramificaciones conocidas como arborescencias observadas en la figura Flexibilidad Por supuesto que las características de flexibilidad del aislamiento deben ser compatibles con los demás elementos del conductor. Por lo tanto, los conceptos que se mencionan a continuación son aplicables al conductor en general. La flexibilidad de un conductor es una de las características más difíciles de cuantificar. Es uno de los conceptos comúnmente usados para describir la construcción de un conductor; sin embargo, por sorprendente que parezca, no existe un estándar de comparación. La mejor base para evaluar la flexibilidad es a través de las ventajas a que da lugar en los conductores de energía, que, en última instancia, es una manera de apreciarla. A continuación se enuncian las ventajas de la flexibilidad: Mayor facilidad para sacar o meter el conductor en el carrete, lo que minimiza la probabilidad de daño al momento de instalar. Mayor facilidad para colocar en posición en la instalación, especialmente en lugares estrechos. 33

42 La construcción del conductor que permite dobleces y cambio de dirección en general, sin menoscabo de la integridad del mismo, conduce evidentemente a una instalación confiable. Un manejo sencillo de un material contribuye a que los instaladores trabajen con más rapidez y menos esfuerzo, evitando que pongan en práctica métodos que resultarían perjudiciales, como calentar el conductor para permitir dobleces, etc NIVEL DE AISLAMIENTO Una vez seleccionado el material apropiado para el aislamiento del conductor, es necesario determinar el espesor de acuerdo con el fabricante, tomando como base la tensión de operación entre fases y las características del sistema, según la clasificación siguiente: Categoría I. Nivel 100% Quedan incluidos en esta clasificación los conductores que se usen en sistemas protegidos con relevadores que liberen fallas a tierra lo más rápido posible, en un tiempo no mayor a un minuto. Este nivel de aislamiento es aplicable a la mayoría de los sistemas con neutro conectado sólidamente a tierra, y puede también aplicarse a otros sistemas (en los puntos de aplicación del conductor) donde la razón entre la reactancia de secuencia cero y de secuencia positiva (X 0 /X 1 ) no esté en el intervalo de -1 a -40 y que cumplan la condición de liberación de falla, ya que en los sistemas incluidos en el intervalo descrito pueden encontrarse valores de tensión excesivamente altos en condiciones de fallas a tierra. Categoría II. Nivel 133% Se incluyen los conductores destinados a instalaciones en donde las condiciones de tiempo de operación de las protecciones no cumplen con los requisitos del nivel 100%, pero que, en cualquier caso, se libera la falla en no más de una hora. El nivel 133% se podrá usar también en aquellas instalaciones donde se desee un espesor del aislamiento mayor al 100%. Por ejemplo, conductores submarinos, en los que los esfuerzos mecánicos propios de la instalación y las características de operación requieren un nivel de aislamiento mayor. Categoría III. Nivel 173% Los conductores de esta categoría deberán aplicarse en sistemas en los que el tiempo para liberar una falla no está definido. También se recomienda el uso de conductores de este nivel en sistemas con problemas de resonancia, en los que se pueden presentar sobretensiones de gran magnitud. Los espesores de aislamiento y las tensiones de prueba para esta categoría no están normalizados, por lo que se deberá consultar con el fabricante para evaluar cada caso en particular PANTALLAS ELÉCTRICAS Un dieléctrico que se encuentra inmerso entre dos conductores o entre un conductor y el plano de tierra, está sujeto a esfuerzos eléctricos, provocando en ellos efectos negativos. Si la dimensión del esfuerzo eléctrico a la que es sometido el dieléctrico es muy elevada, lo dañan y producen en el deterioro del material eléctrico. Por este motivo, se busca controlar estos esfuerzos por medio de las pantallas eléctricas. 34

43 Es decir, la función de las pantallas eléctricas es: limitar el campo eléctrico a la masa de aislamiento del conductor o conductores. Las pantallas son diseñadas para los conductores de acuerdo a las funciones que vayan a cumplir. De acuerdo al tipo de material y el lugar de instalación se clasifican en: Pantalla semiconductora sobre el conductor. Pantalla sobre el aislamiento PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE EL CONDUCTOR Las pantallas eléctricas que son fabricadas extruidas o de cintas son utilizadas en circuitos en donde la tensión es de 5 kv o mayores. Los constituyentes de estas pantallas dependen del diseño que tiene el conductor pues existen los siguientes: Cintas de papel Carbón Black (CB). Utilizado en conductores que tienen como aislamiento papel impregnado. Pantallas extruidas: En este tipo de pantallas el material utilizado debe ser compatible con el que se utiliza en el aislamiento. Este aislamiento es del tipo sólido. Cuando es empleada este tipo de pantallas se evita la concentración de esfuerzos eléctricos que aparecen por la forma de los hilos en los resquicios de un conductor como se muestra en la figura Esta pantalla tiene el objetivo en el diseño de los conductores, para que la superficie equipotencial se unifique, y con esto lograr que las líneas del campo eléctrico sean perpendiculares. Figura CONCENTRACIÓN DE ESFUERZOS ELÉCTRICOS EN LOS INTERSTICIOS DE UN CONDUCTOR CABLEADO Otra condición, que se elimina la ionización en los resquicios entre el conductor y el aislamiento. Cuando se coloca aislamiento extruido directo sobre el conductor, la curvatura de los hilos propiciaría la creación de huecos o burbujas de aire como se aprecia en la figura , al ser sometidas a una diferencia de potencial, incitarían a que se ionice el aire, con su presente detrimento del aislamiento. Esta situación desfavorable es posible evitar haciendo uso de una pantalla semiconductora, que tiene una superficie uniforme. Un beneficio más de las pantallas que se colocan sobre el conductor es la transición entre este y el aislamiento. Cuando un alimentador es elaborado con aislamiento de papel, el impregnante que está en contacto con el cobre origina compuestos químicos, a los cuales se les 35

44 atribuye el nombre de jabones metálicos, que degeneran las características dieléctricas en estos conductores. Por lo tanto las pantallas impiden que se formen compuestos perjudiciales a los aislamientos. Figura a) AISLAMIENTO EXTRUIDO DIRECTAMENTE SOBRE EL CONDUCTOR b) ALIMENTADOR CON PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE EL CONDUCTOR Los alimentadores deben llevar sobre el conductor una pantalla extruida formada por una capa de material semiconductor negro termofijo, compatible con el aislamiento y el conductor. Debe tener características tales que le permitan operar en condiciones de temperatura en el conductor que no exceda de 90 C en operación normal, 130 C en condiciones de operación de emergencia y 250 C en condiciones de circuito corto. La superficie exterior en contacto con el aislamiento debe ser de apariencia lisa y tersa y estar firmemente adherida al aislamiento. Debe poderse separar fácilmente del conductor. Tabla ESPESOR DE LA PANTALLA SEMICONDUCTORA EXTRUIDA SOBRE EL CONDUCTOR 13 Designación del conductor Espesor Área de sección transversal nominal [mm 2 ] Tamaño AWG o kcm Desde 8.4 hasta Desde 8 hasta 4/ Mayor de hasta Mayor de 4/0 hasta Mayor de hasta Mayor de 500 hasta Mayor de Mayor de Mínimo en cualquier punto [mm] La resistividad volumétrica de la capa semiconductora extruida sobre el conductor no debe exceder de 1000 Ω m a temperaturas de 90 C y 130 C ± 1 C y debe medirse de acuerdo con NMX-J PANTALLA SOBRE EL AISLAMIENTO Las pantallas que se utilizan sobre el aislamiento son utilizadas en circuitos de 5 kv y mayores. Estas pueden ser del tipo: Pantalla semiconductora. 13 NMX-J-142-ANCE-2000 Sección

45 Pantalla metálica. Las aplicaciones de pantallas sobre el aislamiento son las siguientes: a) Crear una distribución radial y simétrica de los esfuerzos eléctricos en la dirección de máxima resistencia del aislamiento Cuando un conductor está sometido a una diferencia de potencial, es sometido a los esfuerzos eléctricos del tipo radial, tangencial y longitudinal. Esfuerzos radiales son aquellos que se presentan en el aislamiento de un conductor cuando se encuentra energizado. Para que el aislamiento lleve a cabo de manera correcta su función es necesario que el campo eléctrico se distribuya uniformemente, ya que de no ser así, provoca una elevación de estos esfuerzos en fragmentos del conductor, y su detrimento. En la figura se observa la forma en que, a causa de proximidad de conductores o de una tierra, el campo eléctrico es distorsionado, pudiendo ser la causa canalizaciones eléctricas, tuberías de metal, hilos de puesta a tierra, etc. Esfuerzos tangenciales y longitudinales. Si se aplica una diferencia de potencial entre dos electrodos que tienen distinta permitividad relativa, K1 K2 y se encuentran conectados en serie, esta se divide a razón inversa de las permitividades relativas de los dos materiales. Figura DISTORSIÓN DEL CAMPO ELÉCTRICO a) POR EFECTO DE LA PRESENCIA DE OTROS CONDUCTORES. b) POR PRESENCIA DE UNA REFERENCIA A TIERRA. En el caso de los conductores de energía desprovistos de pantalla, la cubierta y el medio que rodean al conductor forman un dieléctrico en serie con el aislamiento. Una porción de la tensión aplicada se presentará en este dieléctrico, la cual será igual al potencial que se presentará en la superficie del aislamiento. Esta tensión superficial podría alcanzar el 37

46 potencial del conductor, si el del dieléctrico, cubierta y medio ambiente es de gran magnitud, y/o el potencial de tierra, cuando la superficie del aislamiento esté cerca de secciones aterrizadas como se observa en la figura Figura a) ALIMENTADOR SIN PANTALLA. b) ALIMENTADOR CON PANTALLA ATERRIZADA. c) ALIMENTADOR CON PANTALLA NO ATERRIZADA Las diferentes tensiones superficiales que se presentan a lo largo del aislamiento incrementan los esfuerzos tangenciales y longitudinales que afectan la operación del conductor. Los esfuerzos tangenciales están asociados con campos radiales no simétricos y ocurren en conductor multiconductores cuando cada uno de los conductores no está apantallado, y en cualquier conductor monopolar sin pantalla. Los esfuerzos longitudinales no necesariamente están asociados con campos radiales asimétricos, y siempre lo están con la presencia de tensiones superficiales a lo largo del conductor. El contacto íntimo de la pantalla semiconductora con el aislamiento, la conexión física adecuada de la pantalla metálica a tierra y, en general, la correcta aplicación de las pantallas sobre el aislamiento, aseguran la eliminación de los esfuerzos longitudinales y tangenciales. b) Proveer al conductor de una capacitancia a tierra uniforme Los conductores que se instalan en ductos o directamente enterrados por lo general pasarán por secciones de terreno húmedo y seco o por ductos de características eléctricas variables. Esto da como resultado una capacitancia a tierra variable y, como consecuencia, una impedancia no uniforme. Cuando se presentan en el sistema ondas de sobretensión debidas a descargas atmosféricas y operaciones de maniobra, viajan a través del conductor produciéndose reflexiones en los puntos de variación de impedancia, lo que da lugar a ondas de sobretensión que producirán fallas en el conductor. 38

47 Al colocar las pantallas sobre el aislamiento, se tendrán las siguientes ventajas en el conductor: Presentar una impedancia uniforme, evitando reflexiones y eliminando la posibilidad de producir sobretensiones dañinas al aislamiento. Proveer al conductor de la máxima capacitancia del conductor a tierra y, consecuentemente, reducir al mínimo las ondas de sobretensión. Absorber energía de las ondas de sobretensión al inducir en la pantalla una corriente proporcional a la del conductor. Reducir el peligro de descargas eléctrico al personal y proveer un drenaje adecuado a tierra de las corrientes capacitivas. c) Reducir el peligro de descargas eléctricas al personal o en presencia de productos inflamables. Cuando la superficie externa del aislamiento del conductor (exenta de las pantallas) no está en contacto con tierra a lo largo de la trayectoria de instalación, se puede presentar una diferencia de potencial considerable entre la cubierta del conductor y tierra. Este fenómeno es una situación peligrosa, debido a las siguientes razones: El contacto del personal con la cubierta puede dar lugar a un choque eléctrico que pudiera incluso causar la muerte, si las corrientes de carga de una longitud considerable del conductor se descargaran súbitamente en el punto de contacto. La pantalla con conexión física a tierra de modo adecuado proporciona la trayectoria necesaria para estas corrientes capacitivas. Aunque el contacto que se tuviera con la cubierta no fuera letal, el choque eléctrico puede dar lugar a caídas y accidentes de gravedad. La diferencia de potencial pudiera superar la rigidez dieléctrica del aire y producir descargas, que en presencia de materiales combustibles o explosivos serían de características desastrosas. Por otra parte, cuando se tiene el sistema adecuado de pantallas, se deberá buscar siempre que operen a los potenciales lo más cerca a tierra como se pueda. Las situaciones de peligro que se derivan de no observar esta práctica resultan aún más críticas, desde el punto de vista de la seguridad, que las que ocasionan los conductores sin pantalla. El potencial que se induce en la pantalla en longitudes considerables puede alcanzar valores muy cercanos al potencial del conductor, lo que da lugar a una condición más peligrosa. 39

48 Figura CAPACITANCIA VARIABLE A TIERRA DEBIDO A UNA IMPEDANCIA NO UNIFORME PANTALLA SEMICONDUCTORA SOBRE EL AISLAMIENTO La pantalla semiconductora sobre el aislamiento se encuentra en contacto inmediato con éste. Está formada por un material semiconductor compatible con el material del aislamiento. En adición a las funciones descritas, esta pantalla asegura el contacto íntimo con el aislamiento, aun en el caso de movimiento de la pantalla metálica. La pantalla semiconductora sobre el aislamiento, para conductores con aislamiento seco, puede estar constituida por una capa de material termoplástico o termofijo semiconductor, o bien, por cinta semiconductora y/o barniz semiconductor. Para conductores aislados con papel impregnado en aceite se emplean cintas de papel Carbón Black semiconductoras PANTALLA METÁLICA La pantalla metálica puede constar de hilos, cintas planas o corrugadas o combinación de hilos y cinta. El diseño de la pantalla metálica se debe efectuar de acuerdo con el propósito de diseño, que puede ser: Para propósitos electrostáticos. Para conducir corriente de falla. Como pantalla neutra. 40

49 SELECCIÓN DE LA PANTALLA METÁLICA A continuación se presentan las características de selección de acuerdo con cada propósito de diseño: a) Pantalla para propósitos electrostáticos Estas pantallas deben ser en general de metales no magnéticos y pueden estar constituidas de cintas, hilos, o bien pueden ser cubiertas metálicas (aluminio). Las pantallas constituidas a base de cintas o de hilos son generalmente de cobre normal, aunque puede utilizarse en ambos casos cobre estañado; estas últimas se utilizan donde se pudieran prever problemas graves de corrosión derivados de las condiciones de instalación. En la tabla se presenta el cuadro comparativo de pantallas a base de cintas con las de hilos. Tabla CUADRO COMPARATIVO DE PANTALLAS ELECTROSTÁTICAS A BASE DE CINTAS CON LAS DE ALAMBRES Tipo de pantalla Ventajas Desventajas A base de cintas A base de hilos Proporciona una pantalla electrostática adecuada. Reduce el ingreso de humedad al aislamiento. Proporciona una pantalla electrostática adecuada. Las características eléctricas de la pantalla son consistentes y controlables. Fácilmente se incrementa la capacidad modificando el número de alambres. No requiere de gran destreza para realizar cortes en empalmes y terminales. Son menos vulnerables durante la instalación. Propiedades eléctricas inconsistentes, debido a que en el manejo se afecta el traslape. Requiere de radios de curvatura mayores que para conductores con pantalla de alambres. Construcción vulnerable durante la instalación. En empalmes y terminales se requiere de mayor tiempo y habilidad para ejecutar adecuadamente los cortes. Permite el paso de la humedad libremente. Requiere precauciones para evitar desplazamiento de los alambres durante la instalación. 41

50 b) Pantallas para conducir corriente de falla En la pantalla metálica se puede requerir una conductancia adicional para conducir corriente de falla, dependiendo de la instalación y características eléctricas del sistema, particularmente con relación al funcionamiento de dispositivos de protección por sobrecorriente, corriente prevista de falla fase a tierra y la manera en que el sistema tenga una conexión adecuada a tierra. c) Pantalla como neutro. Con las dimensiones apropiadas se puede diseñar la pantalla para que en adición a las funciones descritas opere como neutro; por ejemplo, en sistemas residenciales subterráneos. En lo referente a las cubiertas metálicas, éstas proporcionan al conductor una pantalla electrostática adecuada, además de la hermeticidad que se deriva de tener una cubierta continua. Esta última característica es particularmente necesaria para los conductores aislados con papel impregnado o con aislamiento sólido que operan en lugares contaminados. Por otra parte, la cubierta de aluminio proporciona una conductancia adicional aprovechable para conducir corriente de falla, por los espesores que se requieren desde el punto de vista mecánico APLICACIONES DE LAS PANTALLAS Las pantallas se utilizan en los conductores en tensiones de 2 kv y mayores. Para tensiones de 5 kv y mayores ocupan pantallas sobre el aislamiento. Esto significa que dentro de los límites de 2 kv a 5 kv inclusive, se puede no utilizar pantallas sobre aislamiento, aquí interviene la ingeniería para considerar la aplicación de las pantallas. Es innegable que un conductor con pantalla, instalado en forma apropiada, ofrece las condiciones óptimas de seguridad y confiabilidad. Las pantallas sobre aislamiento deben ser consideradas para conductores de energía de más 5 kv cuando exista cualquiera de las siguientes condiciones: Conexiones a líneas aéreas. Transición a ambiente de diferente conductancia. Transición de terrenos húmedos o secos. Terrenos secos de tipo desértico. Tubos (conduit) anegados o húmedos. Donde fácilmente se depositen en la superficie del alimentador materiales conductores, tales como hollín, sales, etc. Donde se involucre la seguridad del personal. 42

51 Figura VARIANTES DE PANTALLAS METÁLICAS A) DE PLOMO B) DE HILOS DE COBRE C) DE CINTAS DE COBRE Existen situaciones donde se debe considerar el uso de conductores sin pantalla, ya que en caso contrario crea graves situaciones de peligro. Ejemplo: Cuando las pantallas no se pueden conectar a tierra física adecuadamente. Cuando el espacio es inadecuado para terminar correctamente la pantalla. En conductores monopolares: o Cuando se tienen conductores sin empalmes en tubo (conduit) metálico aéreo en interiores y en lugares secos. o Instalados sobre aisladores en ambientes no contaminados. o Conductores aislados en instalaciones aéreas sujetas a un mensajero conectar a tierra física. En conductores triplex: o Instalados en tubo (conduit) aéreo o charolas en interiores y lugares secos. o Conductores aislados en instalaciones aéreas sujetas a un mensajero conectar a tierra física. Conexión a tierra y terminación de las pantallas. En todas las terminaciones de los conductores se deben remover completamente las pantallas y sustituir por terminales contráctiles (cono de alivio) de esfuerzos adecuado. Si las pantallas no se retiran, se presentarán arqueos superficiales del conductor a los puntos de menor potencial, carbonización a lo largo de la pantalla y deterioro del aislamiento. Las terminales contráctiles son importantes, ya que siempre se forma al final de la pantalla conectada a tierra física un área de esfuerzos concentrados. La pantalla metálica debe operar todo el tiempo cerca de, o al potencial de tierra. La pantalla que no tiene la conexión adecuada a tierra es más peligrosa, desde el punto de vista de la seguridad, que al conductor sin pantalla. Además del peligro para el personal, una pantalla flotante puede ocasionar daños al conductor. Si el potencial de dicha pantalla es tal que perfora la cubierta, la descarga resultante producirá calor y quemaduras al conductor. Las pantallas deben conectarse en dos o más puntos. En caso de que se conecten en un solo punto, se deberán tomar precauciones especiales. Se recomienda conectar a tierra física 43

52 la pantalla en ambas terminales y en todos los empalmes. La mayor frecuencia de conexiones a tierra reduce la posibilidad de secciones de pantalla flotantes y aumenta la probabilidad de una adecuada conexión a tierra de todo el conductor instalado. Todas las conexiones de la pantalla se deberán realizar de tal manera que se provea al conductor de una conexión segura, durable y de baja resistencia eléctrica. Existen diversas especificaciones y tratados técnicos que indican la máxima tensión que puede estar presente en la pantalla metálica de un conductor de energía cuando tiene puesta eficazmente a tierra en un solo punto. La Norma Oficial Mexicana de Instalaciones Eléctricas NOM-001, artículo 923, sección 3, inciso (d), indica que bajo esta condición la tensión presente en la pantalla metálica no debe exceder de 55 V PROPIEDADES DE LAS CUBIERTAS La función básica de los conductores de potencia puede resumirse en dos palabras: transmitir energía. Para cubrir esta función en forma efectiva las características del conductor deben preservarse durante el tiempo de operación. La función primordial de las cubiertas en sus diferentes combinaciones es la de proteger al conductor de los agentes externos del medio ambiente que lo rodea, tanto en la operación, como en la instalación SELECCIÓN DE LAS CUBIERTAS La selección del material de la cubierta de un conductor dependerá de su aplicación y de la naturaleza de los agentes externos contra los cuales se desea proteger el conductor. Las cubiertas pueden ser principalmente de los siguientes materiales: Cubiertas metálicas. El material normalmente usado en este tipo de cubiertas es el aluminio. Cubiertas termoplásticas. Las más usuales son fabricadas con PVC (policloruro de vinilo) y polietileno de alta y baja densidad. Cubiertas elastoméricas. Básicamente se utiliza el Neopreno (policloropreno), el polietileno clorado (CPE) y el polietileno clorosulfonado o Hypalon (CP). Cubiertas textiles. Se dividen en: o Térmicas. La temperatura de operación en la cubierta es de vital importancia, al igual que la de los aislamientos. Sobrepasar los límites establecidos conduce a una degradación prematura de las cubiertas. o Químicas. Los materiales con los que se fabrican los conductores de energía son compuestos o mezclas químicas y, como tales, su resistencia ante ciertos elementos del medio donde se instalen es previsible y muy importante de considerar para la selección del material de la cubierta. o Mecánicas. Los daños mecánicos a que pueden estar sujetos los conductores de energía se deben, para conductores en instalaciones fijas, a los derivados del manejo en el transporte e instalación, como son: radios de curvatura pequeños, tensiones de jalado excesivas, compresión, cortes, abrasión, golpes, etc., los cuales reducen la vida del conductor completo. 44

53 Tabla CARACTERÍSTICAS DE LOS TIPOS DE CUBIERTAS PARA LOS CONDUCTORES TESIS PRUEBAS ELÉCTRICAS EN CAMPO A CONDUCTORES DE ENERGÍA DE PROPIEDADES En la tabla se presentan las propiedades de las cubiertas en cuanto a los requisitos antes mencionados. 45

54 Capítulo III Las fallas en los conductores de energía reducen la calidad de la energía, así como también afectan a la eficiencia y seguridad de la instalación y sistema eléctrico. Debido a ello, lo recomendable para reducir la ocurrencia y duración de fallas en el sistema de un cable, es identificar y localizar los desperfectos en el mismo antes de que una falla ocurra y en consecuencia deba interrumpirse el suministro de energía. Por ello en este capítulo se detallan todos los factores que tienen inferencia en el funcionamiento de un alimentador, teniendo en cuenta sus características eléctricas y las fallas que existen en un alimentador en funcionamiento. 46

55 3. FALLAS EN LOS CONDUCTORES 3.1. PARÁMETROS ELÉCTRICOS RESISTENCIA DEL CONDUCTOR Los parámetros de operación de los conductores aislados son utilizados para el diseño de sistemas de distribución de energía eléctrica, pues dan la pauta para el estudio técnicoeconómico, que sirve de sustento para seleccionar correctamente el tamaño del conductor, justificado en la caída de tensión, pérdidas de energía en el conductor, etc. Además cuando el conductor ya ha sido seleccionado, es posible conocer el valor de impedancia (Z), necesario para los análisis de circuito corto del sistema y el comportamiento del conductor en regímenes transitorios y al realizar pruebas de campo y mantenimiento RESISTENCIA A LA CORRIENTE DIRECTA La resistencia a la corriente directa de un conductor eléctrico, que se encuentra formado por un alambre de cualquier material, se expresa en la siguiente fórmula: ( ) Dónde: L = longitud del conductor. A = área de la sección transversal del conductor. ρ = resistividad volumétrica del conductor en unidades compatibles con L y A. El valor de la resistividad por unidad de masa para el cobre suave, normalizado por la International Association of Classification Societies (IACS) a 0 C y 100% de conductividad es Ω gr/m 2. Algunos valores se muestran a continuación: Tabla VALOR DE RESISTIVIDAD POR UNIDAD DE MASA PARA EL COBRE Conductividad Unidad μω-cm μω-pulgada Ω-cmil/pie Ω- /km Los valores de la International Association of Classification Societies (IACS), para el aluminio 1350 para usos eléctricos de acuerdo a American Society for Testing and Materials (ASTM) con 61% de conductividad a 20 C son: Tabla VALOR DE RESISTIVIDAD POR UNIDAD DE MASA PARA EL ALUMINIO Conductividad Unidad μω-cm μω-pulgada Ω-cmil/pie Ω- /km 47

56 EFECTO DE CABLEADO Cuando se refiere a conductores cableados, la resistencia de este es la relación de la resistencia de cada conductor entre el número de estos. ( ) En donde R y A son la resistencia y el área de sección transversal de cada conductor respectivamente. Pero esta fórmula solo tiene valor si los conductores son de igual longitud. Debido a que las longitudes de los alambres de capas superiores son de mayor longitud, el aumento de resistencia por efecto cableado, se realiza de la siguiente manera: ( ) En donde: kc es el factor de cableado ; los valores adecuados para distintos tipos de conductores de encuentran en la tabla Tabla INCREMENTO DE LA RESISTENCIA POR EFECTO DEL CABLEADO Tipo de cableado k C Redondo normal Redondo compacto Sectorial Segmental

57 Tabla RESISTENCIA A LA CORRIENTE DIRECTA A 20 C EN CONDUCTORES DE COBRE CON CABLEADO CONCÉNTRICO NORMAL, COMPRIMIDO Y COMPACTO mm 2 AWG kcmil Área de la sección transversal (mm 2 ) Resistencia eléctrica nominal a la C.D. (20 C, Cu suave) Ω/km / / / / Tabla RESISTENCIA A LA CORRIENTE DIRECTA A 20 C EN CONDUCTORES DE ALUMINIO CON CABLEADO CONCÉNTRICO NORMAL, COMPRIMIDO Y COMPACTO AWG kcmil Área de la sección transversal (mm 2 ) Resistencia eléctrica nominal a la C.D. a 20 C, Ω/km / / / /

58 EFECTO DE LA TEMPERATURA EN LA RESISTENCIA En condiciones normales de operación de los conductores eléctricos, los únicos cambios considerados en materiales utilizados, son los acrecentamientos en la resistencia y la longitud que éstos sufren en virtud de cambios en su temperatura. El más importante es el cambio en el valor de la resistencia, ya que el incremento en la longitud sólo es importante para líneas aéreas con grandes tramos entre postes. El comportamiento de la resistencia de un conductor a diferentes temperaturas se ilustra en la siguiente figura. Figura VARIACIÓN DE LA RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR ELÉCTRICO METÁLICO CON LA TEMPERATURA La resistencia R2, a una temperatura cualquiera T2, en función de la resistencia R 1, a una temperatura T 1, distinta de cero, está dada por: [ ] Donde α se denomina coeficiente de corrección por temperatura y sus dimensiones son el reciproco de grados centígrados (1/ C). El valor de la resistividad se expresa generalmente a una temperatura estándar de 20 C (68 F). El punto de intersección de la prolongación de la parte rectilínea de la curva de la figura con el eje t (temperaturas) es un valor constante para cada material; en esta temperatura, el valor teórico de la resistencia del material es nulo. A continuación se dan valores de temperatura (T) en C para los materiales usados en la fabricación de conductores eléctricos: T = C para cobre recocido estirado en frio con 100% de conductividad, según IACS. T = 241 C para cobre semiduro estirado en frio con 97.3% de conductividad, según IACS. 50

59 T = 228 C para aluminio estirado en frio con 61% de conductividad, según IACS. De la gráfica de la figura se deriva que: Fórmula utilizada para cálculos prácticos de ingeniería. De esta manera, es fácil comprobar que si: Por lo tanto: Los factores de corrección para cobre de 100% de conductividad IACS se consiguieron de la siguiente fórmula: Los factores de corrección para aluminio de 61% de conductividad IACS se consiguieron de la siguiente fórmula: En donde: R 1 = resistencia a 20 C. R 2 = resistencia medida a la temperatura de prueba. T 2 = temperatura de prueba. Tabla FACTORES DE CORRECCIÓN POR TEMPERATURA PARA CÁLCULO DE RESISTENCIAS DE CONDUCTORES ELÉCTRICOS DE COBRE Y ALUMINIO Temperatura del conductor Factor de corrección a 20 C en C Cobre Aluminio

60 RESISTENCIA A LA CORRIENTE ALTERNA La resistencia de un conductor eléctrico por el que circula corriente directa es menor que la resistencia que presenta el mismo conductor a la corriente alterna. Este decremento es ocasionado por dos efectos: El efecto superficial o de piel. El efecto de proximidad. Por tal motivo la resistencia a la corriente alterna se calcula con la siguiente expresión: ( ) Dónde: R ca = resistencia a la corriente alterna. R cd = resistencia a la corriente directa. Y s = factor debido al efecto piel. Y p = factor debido al efecto de proximidad. Cuando se hace circular una corriente a través de un conductor, existe una pérdida de energía debida a la resistencia, esta pérdida es mayor cuando circula una corriente alterna que cuando es una corriente directa de magnitud igual al valor eficaz de la corriente alterna. Para esclarecer este fenómeno se tiene un conductor compuesto por una serie de filamentos paralelos al eje del mismo, de igual sección, longitud y por lo tanto la misma resistencia. Cuando circula una corriente directa por el conductor, la diferencia de potencial en cada filamento es la misma, y debido a que la resistencia de todos los filamentos es igual, la corriente en el filamento es igual en cada uno de ellos, y tiene una densidad de corriente uniforme en toda la sección del conductor. A diferencia de ellos, cuando se hace circular una corriente alterna, el flujo magnético producido, cortara los filamentos que componen al conductor. Los filamentos en la parte central del conductor se empalman con más líneas de fuerza de otros filamentos, que los enlazados con los filamentos externos del conductor; a consecuencia de ello, la fuerza contra electromotriz inducida (FCEM inducida) en los filamentos centrales es mayor que la inducida en los filamentos superficiales. La diferencia de potencial entre los extremos de todos los filamentos es igual, ya que están conectados en paralelo, y debe verificarse que las caídas de potencial sean iguales y, por lo tanto, las corrientes en los filamentos centrales en los que la fuerza contra electromotriz inducida es mayor tendrán que ser menores que las corrientes en los filamentos superficiales, o sea, que la densidad de corriente es mayor en la superficie del conductor que en el centro. A este fenómeno también se le conoce como "efecto pelicular" o "efecto Kelvin". El factor Y S del efecto pelicular se calcula por medio de: 52

61 Con Dónde: f = frecuencia del sistema en Hz. R = resistencia del conductor a la corriente directa corregida a la temperatura de operación, Ω/km. En la siguiente tabla se muestran algunos valores de K s. Tabla VALORES DE Ks y Kp Forma del conductor K s K p Redondo normal Redondo compacto Segmental EFECTO DE PROXIMIDAD Un conductor por el que fluye una corriente alterna y se encuentra cercano a otro que transporta corriente de semejantes características pero de sentido contrario, realiza una resta vectorial de densidad de flujo, ocasionando una reducción en la inductancia en las caras próximas y un aumento en las diametralmente opuestas, arrojando como resultado una distribución no uniforme de la densidad de corriente y un aumento aparente de la resistencia efectiva, la cual se calcula afectando la resistencia original por un factor Y p. Esto es válido para conductores paralelos que alimentan cargas monofásicas y trifásicas. La fórmula siguiente da el valor de Y p : Con: [ ] Dónde: d c = diámetro del conductor (cm) s = distancia entre ejes de los conductores (cm) En el caso de conductores trifásicos con conductor segmental, el valor de Y p obtenido se deberá multiplicar por 2/3, para obtener el factor de proximidad. También se deberá sustituir en la fórmula original: dc = dx, que es el diámetro de un conductor redondo de la misma área que el conductor sectorial. s = dx + t, donde t es el espesor del aislamiento. 53

62 INDUCTANCIA Y REACTANCIA INDUCTIVA INDUCTANCIA Cuando en un conductor eléctrico circula una corriente de magnitud variable en el tiempo, se crea un flujo magnético variable, el cual se relaciona con los demás conductores del circuito (por los que también circulan corrientes de naturaleza análoga). A la razón de la variación del flujo magnético a la variación de la corriente en el tiempo se le conoce como inductancia. Variación del flujo magnético en el L oc tiempo Variación de la corriente en el tiempo Figura FLUJOS MAGNÉTICOS QUE RODEAN A CONDUCTORES POR LOS QUE CIRCULAN CORRIENTES VARIABLES La inductancia de un conductor está dada por la suma de la inductancia propia o interna Lo (ya que parte del flujo generado corta al conductor mismo) más la externa Le. La inductancia propia (Lo) de un conductor es constante, dependiendo exclusivamente de su construcción; esto es, si es sólido o cableado. Matemáticamente se demuestra que se considera un conductor imaginario que no es cortado por el flujo generado, afectando el radio (r) sección conductora por una constante como lo muestra la siguiente tabla; así se obtiene el 54

63 radio de un conductor imaginario para el que todo el flujo es externo. Al radio así calculado se le conoce como radio medio geométrico del conductor (RMG) y la ecuación anterior se expresa en función del RMG, de acuerdo a la siguiente tabla. Tabla RADIO MEDIO GEOMÉTRICO DE CONDUCTORES USUALES Construcción del conductor RMG Alambre sólido Conductor de un solo material 7 hilos 19 hilos 37 hilos 61 hilos 91 hilos 127 hilos r = radio del conductor r r r r r r r La inductancia externa es dependiente de la separación y disposición de los conductores, de la construcción del conductor, y si está dotado o no de pantallas o cubiertas metálicas y conexión a tierra de las mismas. En el cálculo de la inductancia total (incluyendo efectos de inductancia externa y propia) se resaltan los siguientes casos: Conductores sin pantalla o cubierta metálica, o conductores con pantallas o cubiertas metálicas conectadas a tierra de forma que no existen corrientes a través de las mismas. Conductores con pantallas o cubiertas metálicas que se encuentran conectadas a tierra de forma que permiten corrientes a través de las mismas REACTANCIA INDUCTIVA El valor de la reactancia inductiva depende de la frecuencia del sistema y el valor de la inductancia total (suma de inductancia propia y externa) del conductor, y se obtiene de la siguiente expresión: Dónde: f = frecuencia del sistema en Hz L = inductancia en H/km RESISTENCIA Y REACTANCIA APARENTES Una forma simplificada de determinar los efectos de las corrientes que circulan en pantallas y cubiertas metálicas es considerar un conductor sin pantalla, que presente una resistencia y reactancia comparable a la que presenta un conductor real, incluidos los efectos de la pantalla. 55

64 A la resistencia y a la reactancia de este conductor se les conoce como resistencia y reactancia aparentes, y los valores obtenidos de estos parámetros permiten de manera directa el cálculo de la impedancia de la línea, caída de tensión, etc. El valor final de la resistencia aparente se obtiene de sumar, a la resistencia efectiva a la c.a., un término (véase la tabla ) que incluye los efectos de la corriente inducida en la pantalla o cubierta metálica. Tabla RESISTENCIA Y REACTANCIA APARENTES De forma análoga, la reactancia aparente se obtiene al restar, a la reactancia que se obtendría de un conductor idéntico sin pantalla o cubierta metálica, un término similar de naturaleza inductiva. 56

65 La reducción aparente en la reactancia inductiva, debido a las corrientes que circulan por la pantalla o cubierta metálica, es de poca magnitud y de ninguna manera comparable al incremento aparente que afecta a la resistencia, por lo que es de esperarse en estos casos valores mayores de caída de tensión e impedancia que en los conductores desprovistos de éstas. En circuitos trifásicos con conductores monopolares colocados equidistantes o circuitos monofásicos, la resistencia aparente (RA) y la reactancia inductiva aparente (XLA) están dadas por: Dónde: R = Resistencia efectiva del conductor a la c.a., ohm/km. X L = 2πfL ohm/km. L = Calculada de acuerdo a la tabla anterior. X m = 2πfM. M = Inductancia mutua entre conductor y pantalla o cubierta metálica. Rp = Resistencia de la pantalla a la temperatura de operación. f = Frecuencia en ciclos por segundo. S = Distancia entre centro de los conductores en cm. r o = Radio medio de la pantalla en cm. Figura CONFIGURACIONES PARA EL CÁLCULO DE RESISTENCIA Y REACTANCIA APARENTES 57

66 En el caso de conductores tripolares con pantalla o cubierta común como se muestra en la siguiente figura, el valor de la resistencia aparente del conductor está dado por: Figura CONDUCTOR TRIPOLAR CON PANTALLA O CUBIERTA COMÚN Dónde: R = resistencia efectiva del conductor a la c.a. en Ω/km R p = Resistencia de la pantalla Ω/km S = Distancia del centro de los conductores al centro geométrico del conductor en cm para conductores redondos. Dónde: d = Diámetro del conductor t = Espesor del aislamiento en cm Para conductores sectoriales, puede calcularse un valor aproximado de S con la ecuación anterior, pero tomando d = 0.82 a 0.86 veces el diámetro del conductor redondo equivalente dependiendo de la forma del sector, o por la medición directa del centro del sector al centro del conductor. Tabla FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DE LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE PANTALLAS Y CUBIERTAS METÁLICAS Pantalla de alambres Tubular de plomo Pantallas de cinta de cobre traslapadas 58

67 Dónde: dm = diámetro medio de la pantalla o forro metálico en mm d = diámetro de los alambres de la pantalla en mm t = espesor de la pantalla o forro metálico en mm (aproximadamente 0.12 mm para cintas de cobre) n = número de alambres K = factor para incrementar la resistencia debido al contacto en el traslape (K = 1 para conductores nuevos; K = 2 para conductores que han estado en servicio) ρ = resistividad eléctrica del material de la pantalla metálica a su temperatura de operación en ohm-mm2/km: ( ) 20 C Dónde: ρ o = resistividad eléctrica del material de la pantalla metálica a 20 C α = coeficiente térmico de resistividad eléctrica del material de la pantalla metálica a t = temperatura de operación de la pantalla metálica: Tabla RESISTENCIA ELÉCTRICA DE PANTALLAS, CUBIERTAS METÁLICAS Y TEMPERATURA DEL CONDUCTOR Material Resistividad eléctrica a 20 C Coeficiente térmico de resistividad eléctrica a 20 C Ω-mm 2 /km 1/ C Aluminio Cobre suave Plomo Tensión de fase a fase del conductor Tabla TEMPERATURA DE LA PANTALLA Temperatura aproximada de la pantalla en C, en función de la temperatura del conductor kv 95 C 90 C 85 C 80 C 75 C 70 C 65 C

68 INDUCCIÓN DE CONDUCTORES EN PARALELO Las conexiones de los sistemas deben realizarse a través de más de un conductor por fase, dando lugar a sistemas con dos o más conductores en paralelo. La inducción y, seguidamente, la reactancia inductiva de conductores en paralelo de una misma fase deben ser iguales para todos, puesto que de ello depende la distribución de la corriente en ellos; por ejemplo: en un sistema con dos conductores en paralelo es de esperarse que cada uno conduzca la mitad de la carga; si el sistema no tiene una reactancia inductiva uniforme esto ocasionará que uno de los conductores conduzca una carga mayor que la proyectada, ocasionando envejecimiento prematuro de los aislamientos y, como consecuencia, fallas. Se obtiene una distribución completamente uniforme de la corriente sólo cuando se utilizan tres conductores, puesto que de esa forma se elimina la influencia inductiva de los conductores próximos. En el caso de conductores monopolares en paralelo que estén dispuestos en configuración plana, si los conductores de una misma fase están agrupados y tendidos uno junto al otro se obtiene un coeficiente de inducción muy irregular. Es mejor agrupar los conductores de distintas fases en sistemas, y hacer que las separaciones entre los conductores (d) pertenecientes a un sistema sean menores que las distancias (D) entre los propios sistemas. El orden de las fases dentro de un sistema es igualmente de gran importancia. En concordancia con el número de sistemas trifásicos se recomienda la sucesión de fases de la siguiente figura. Con esta disposición, los coeficientes de inducción de los conductores paralelos en una fase son prácticamente iguales, mientras que las fases A, B y C difieren entre sí. Sin embargo, esto es menos perjudicial que la diferencia en inducción de conductores de la misma fase. En la figura tenemos un ejemplo de distribución que cumple con las condiciones de agrupar conductores de distintas fases en sistemas y también conservar la separación entre sistemas (D >> d) mayor que la que existe entre conductores; pero es desfavorable, pues, en este caso, difieren no sólo los coeficientes de inducción entre las fases A, B y C, sino también los de los conductores paralelos en una misma fase. Tomando en cuenta todo lo anterior, para varios sistemas de conductores monopolares agrupados en trébol se recomienda la disposición de la figura d). 60

69 Figura AGRUPACIÓN DE CONDUCTORES MONOPOLARES EN PARALELO En el caso de conductores en charolas puede suceder que, además de tener conductores en configuración plana, se tengan más charolas en posición vertical. En esta situación se recomienda agrupar a los conductores como se muestra en la figura siguiente. El coeficiente de inducción de los conductores conectados en paralelo es prácticamente uniforme si se adopta esta disposición. Los coeficientes de inducción de las distintas fases son diferentes, lo cual no tiene importancia, ya que en la mayoría de los casos los circuitos son de poca longitud. Figura CONDUCTORES DISPUESTOS EN CHAROLAS 61

70 CAPACITANCIA Y REACTANCIA CAPACITIVA La capacitancia entre dos conductores se define como la razón de la carga entre los conductores a la diferencia de potencial aplicada entre ellos; en forma de ecuación se expresa como: Dónde: q = Carga entre los conductores en coulomb por kilómetro. V = Diferencia de potencial. En el caso de conductores aislado, el cálculo de la capacitancia depende de su construcción, si es monopolar o tripolar, provisto o no de pantallas, así como del material y espesor del aislamiento CONDUCTOR MONOPOLAR CON CUBIERTA O PANTALLA METÁLICA En este caso, el conductor representa un capacitor en el que el conductor, que se encuentra al potencial de línea, constituye una de las placas, y la pantalla o cubierta metálica, que está a tierra, constituye la otra placa. Por último, el dieléctrico lo constituye el propio aislamiento. En términos de la definición de capacitancia se demuestra que este tipo de conductores la capacitancia está dada por: Dónde: SIC = Constante inductiva específica del aislamiento. da = Diámetro sobre el aislamiento en mm. dc = Diámetro bajo el aislamiento en mm CONDUCTOR TRIPOLAR SIN PANTALLA METÁLICA INDIVIDUAL Y CON CUBIERTA METÁLICA COMÚN En este caso, la capacitancia al neutro está dada por la siguiente fórmula: [ ( )] Donde: SCI= Constante inductiva específica del aislamiento. ea = Espesor del aislamiento en mm. eb = Espesor de cubierta plástica bajo cubierta metálica común en mm. dc = Diámetro bajo el aislamiento en mm. 62

71 REACTANCIA CAPACITIVA La reactancia capacitiva queda definida por la siguiente ecuación: Dónde: Xc = Reactancia capacitiva en ohm-km. C = Capacitancia en farad/km. f = Frecuencia del sistema en Hz FALLAS ELÉCTRICAS Un hecho que puede ocurrir en cualquier momento y en lugares al azar es que algún tipo de falla se produzca en los sistemas eléctricos. Las fallas se pueden clasificar en dos grandes áreas: activas y pasivas. Activas o Circuito corto o Fallas a tierra Pasivas o Sobrecargas o Sobretensiones o Bajas frecuencias o Oscilaciones de potencia 3.3. SOBRE CORRIENTES Los alimentadores de energía están expuestos a condiciones anormales de operación cuando la corriente eléctrica que circula por ellos es mayor a la nominal, este tipo de sobre corrientes se clasifican en: corrientes de sobrecargas, fallas a tierra y circuito cortó de acuerdo con la NOM-001-SEDE Dentro de esta norma se define el término sobrecorrientes como cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga, un circuito corto o una falla a tierra. 14 El resultado de esta condición anormal de operación es el efecto joule (I 2 R) que genera una elevación de temperatura en los conductores, el cual ocasiona daño parcial o total a sus componentes, en conductores especialmente al aislamiento que es un elemento importante. La elevación de la temperatura depende de la magnitud de la corriente que circula por el conductor y el tiempo de duración de la anomalía. 14 NOM-001-SEDE-2005 Instalaciones Eléctricas (utilización), 4.1 DISPOSICIONES GENERALES CAPITULO 1, ARTICULO DEFINICIONES. 63

72 3.4. FALLA A TIERRA Y CIRCUITO CORTO Se produce una falla a tierra cuando existe conexión entre una fase a tierra o dos fases a tierra y circuito corto cuando hay contacto entre 2 fases o tres fases, se caracteriza por un aumento instantáneo en la intensidad de corriente cuyo valor está limitado por la impedancia de circuito corto. Bajo estas condiciones, el nivel de temperatura aumenta rápidamente en los elementos metálicos que componen el alimentador: conductor y pantalla metálica, mientras estén diseñados para resistir tal incremento de temperatura; el límite de este dependerá de la temperatura máxima admisible en la cual el material no se vea afectado en el aislamiento o pantalla semiconductora. El comportamiento de este tipo de fallas se hace especialmente peligroso en contacto con personas, ocasionando lesiones de gravedad o la muerte, además de daños en los instrumentos o equipos conectados a la instalación afectada. Circuito corto trifásico Son los únicos que se comportan como sistemas balanceados, ya que todas las fases están afectadas por igual. Las tensiones en el punto de falla son nulas, presentando magnitudes de corriente iguales con diferencia entre sus ángulos. Es una de las fallas más extremas por tal motivo es un cálculo obligatorio para los esquemas de protección. Por ser un sistema balanceado, para su cálculo solo se necesita la impedancia de secuencia positiva. Circuito corto entre dos fases Generalmente las corrientes iníciales simétricas de circuito corto son menores que las de falla trifásica, aunque si el circuito corto se presenta cerca de las fuentes generadoras de energía la falla puede llegar a presentar valores mayores que los de circuito corto trifásico. Al presentarse esta falla en dos de las tres fases del sistema, la falla es de tipo desbalanceada por lo que se toma en cuenta la red de secuencia positiva y negativa. Circuito corto con doble contacto a tierra En redes con neutro aislado o puesta a tierra con impedancias de gran valor. Puede aparecer el doble contacto a tierra. Esta falla presenta valores de corriente inferiores al resto de las fallas. 64

73 Falla de dos fases a tierra En esta falla se tiene perdida de energía a tierra, para su cálculo es necesario considerar además de las redes de secuencia positiva y negativa, la red de secuencia cero. Falla de una fase a tierra Esta falla es la más frecuente, produciéndose comúnmente en redes conectadas sólidamente a tierra o mediante impedancias de bajo valor. Su cálculo es importante, por la magnitud elevada y su conexión a tierra, lo que permite calcular fugas a tierra, las tensiones de contacto o de paso y otros efectos que puedan provocar. Por ser una falla desbalanceada, es necesario tomar en cuenta las redes de secuencia positiva, negativa y cero. Tabla TEMPERATURAS MÁXIMAS ADMISIBLES EN CONDICIONES DE CIRCUITO CORTO Material del conductor en contacto con el metal Conductor Pantalla Termofijos (XLP o EP) * Termoplásticos (PVC o PE) Papel impregnado en aceite Si la sección del conductor o de la pantalla no es la adecuada para resistir las condiciones de circuito corto, la acelerada temperatura generada en un corto tiempo, genera un severo daño permanente en el aislamiento, y además forma cavidades entre el aislamiento y la pantalla semiconductora generando graves problemas de ionización. Para determinar la corriente permisible en el dispositivo o pantalla, es indispensable conocer el tiempo que transcurre antes de que las protecciones se accionen y liberen la falla. Según el tipo de falla que se presente se deben verificar los componentes de la siguiente manera: Conductor o Circuito corto trifásico balanceado. o Circuito corto trifásico desbalanceado, calculando la corriente de falla de secuencia cero. Pantalla o Circuito corto de fase a tierra. o Circuito corto trifásico desbalanceado, calculando la corriente de falla de secuencia cero. 65

74 De acuerdo a la recomendación establecida en ANSI/IEEE std Los tiempos estimados de liberación de falla de diversos dispositivos de protección son los siguientes: Tabla LIBERACIÓN DE LA FALLA DE DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ANSI/IEEE STD Interruptores de potencia coordinados por relevadores kv Disparo instantáneo Relevador de inducción instantáneo Relevador de inducción de tiempo inverso Tiempos del relevador en ciclos Tiempo de interrupción del interruptor de potencia en ciclos Tiempo total en ciclos Fusibles de media y alta tensión 0.25 ciclos (para fusibles limitadores de corriente operando dentro Alta corriente de sus rangos de diseño) Baja corriente 600 segundos (para fusibles tipo E operando al doble de su capacidad nominal; otras capacidades están disponibles con diferentes tiempos considerando el doble de su capacidad nominal). Conociendo la corriente de falla y su duración, se verifica la sección transversal del conductor con la siguiente formula. Dónde: ( ) (3l) I = Corriente máxima de circuito corto, Amperes K = Constante que depende del material del conductor (tabla ) A = Área de la sección transversal del conductor circular mils t = Tiempo de duración del circuito corto, segundos T = Temperatura en C, T1= Temperatura de operación normal del conductor, C T2 = Temperatura máxima del circuito corto que soporta el aislamiento, C Tabla VALORES DE LA CONSTANTE Y TEMPERATURA Material K T Cobre Aluminio Plomo Acero Debido a la cantidad de metal concentrado y el corto tiempo en que actúa la falla, el calor permanece en el metal, donde se forma un sistema en el cual no hay una transferencia de calor con el entorno (adiabático). En el caso del conductor esta consideración es muy real, ya que tienen una mayor área de disipación de calor y menor concentración de la masa metálica. 66

75 Para las pantallas metálicas, la ecuación 3m, resultaría muy conservadora, ya que en la mayoría de los casos el resultado sería una magnitud con mayor sección de área transversal de la que se necesita, y para compensar esta situación. Si se modifica la ecuación, y conociendo parámetros como la magnitud y tiempo de duración de la falla, se encuentra el área para las pantallas. Por lo tanto, con parámetros bien definidos la formula se escribe como: (3m) La constante C depende de: Área en metros Material del conductor Tipo de aislamiento Tabla VALORES DE C PARA DETERMINAR LA CORRIENTE DE CIRCUITO CORTO EN ELCONDUCTOR Y PANTALLA O CUBIERTA Tipo de alimentador Conductor* Pantalla** (EP) con cubierta de PVC Sintenax Vulcanel 23 TC (EP o XLP) con cubierta de plomo DRS DS PT PT * La temperatura en el conductor es la máxima de operación ** La temperatura en la pantalla se considera, para alimentadores de media tensión, 10 C debajo de la del conductor. Las cubiertas son las usuales de construcción para los conductores señalados LÍNEAS AÉREAS La NOM-001-0SEDE-2005 indica en el artículo 922 las disposiciones generales para líneas aéreas, y que señala: Para líneas de diferente tensión eléctrica, los conductores con mayor tensión deben estar arriba de los de menor tensión. Para líneas eléctricas y de comunicación las primeras deberán estar en los niveles superiores. En cruzamientos o líneas en conflicto, debe utilizarse la misma disposición en los incisos anteriores. 67

76 3.6. LÍNEAS SUBTERRÁNEAS De acuerdo con el artículo 923 de la NOM-001-SEDE-2005 los requisitos mínimos que deben satisfacer los conductores subterráneos en vía pública son los siguientes: Diseño, construcción y materiales de los conductores subterráneos de acuerdo con la tensión eléctrica, intensidad de corriente eléctrica, corriente eléctrica de circuito corto, elevación de temperatura y condiciones mecánicas y ambientales a que se someten durante su instalación y operación. Cuando los conductores estén expuestos a ambientes húmedos y corrosivos es conveniente que sean diseñados y se usen con cubiertas protectoras. Pantallas sobre el aislamiento. Los conductores que operan a una tensión eléctrica de 5 kv entre fases o mayor, deben tener una pantalla semiconductora en contacto con el aislamiento y una pantalla metálica no magnética en contacto con dicha pantalla semiconductora. El material de la pantalla debe ser resistente a la corrosión o bien estar adecuadamente protegido. Conexión de puesta a tierra de las pantallas metálicas. Las pantallas o cubiertas metálicas de los conductores deben estar puestas a tierra. Las conexiones de las pantallas metalizas hacia los conductores para su puesta a tierra deben asegurar un buen contacto, evitando que se aflojen o se suelten. Tensiones inducidas en la pantalla metálica. Se recomienda que las tensiones inducidas en condiciones normales de operación no sean mayores de 55 V. Las expresiones matemáticas para el cálculo de impedancias de líneas subterráneas son similares a las anteriormente indicadas para líneas aéreas, los factores que afectan el valor de las impedancias son los siguientes: Aislamiento. o Espesor. o Tipo. o Temperatura de operación máxima. Conductor. o Solido o dispuesto en diferentes formas. Concéntrico. Circular. Circular compacto. Sectorial. Segmental. Pantalla metálica. o Conductor concéntrico sobre el aislamiento de material no magnético. 68

77 Forma de instalación. o Directamente enterrados o en ductos. o Profundidad. o Separación. o Disposición de los conductores. Forma de construcción de conductores. o Multipolares o monopolares. Hay cuatro parámetros que afectan el comportamiento de una línea: Resistencia serie Inductancia serie Capacitancia paralelo Conductancia paralelo Para representación de líneas en estudios de circuito corto es importante considerar la impedancia serie, ya que este parámetro incluye las diferentes secuencias, y de este modo se moldea la línea. Impedancia de secuencia positiva y negativa de líneas aéreas o subterráneas. Las impedancias de secuencia positiva Z 1 y negativa Z 2 de una línea es la misma, debido a que la tensión aplicada a una línea no hace diferencia y las caídas de tensión son las mismas en secuencia ABC que en secuencia ACB, por lo tanto: Z 1 = Z 2 = R 1 + jx 1 Ω/fase La resistencia de secuencia positiva R 1 de la línea depende de: Tipo y tamaño del conductor. Frecuencia de operación. Temperatura de operación. Corriente de carga. Comúnmente a la resistencia se le denomina r a y se obtiene directamente de las tablas de conductores. La reactancia inductiva de secuencia positiva X 1 está formada por dos términos X 1 = X a + X d Donde: Xa = Reactancia inductiva propia del conductor y que depende de: Tipo y tamaño del conductor Frecuencia de operación El valor de esta reactancia se obtiene directamente de las tablas de conductores o bien se calculan con la siguiente expresión: Xd = Reactancia inductiva por espaciamiento en Ω/milla, determinada por: 69

78 Donde RMG es el radio medio geométrico del conductor expresado en pies y que también se obtiene en las tablas de conductores. Xd = Reactancia inductiva mutua entre conductores y que depende de la disposición geométrica que tienen los conductores, se calcula por medio de la siguiente expresión: Y que el DMG es la distancia media geométrico entre conductores expresado en pies, calculándose de la siguiente forma para una línea trifásica: Dónde: d ab = d bc = d ca = Distancia entre fases. Impedancia de secuencia cero para líneas aéreas y subterráneas. La impedancia de secuencia cero de la línea depende de los factores que se mencionaron para la impedancia de secuencia positiva y adicionalmente de: Impedancia mutua entre hilos de guarda y conductores y conductores de fase Número y disposición de hilos de guarda Resistividad del terreno, ya que la secuencia cero involucra trayectorias de retorno por tierra de las corrientes de desbalance y de la cual dependerá de la resistividad promedio del terreno. La impedancia de secuencia cero de una línea aérea se obtiene utilizando la siguiente fórmula: Dónde: Zo a = Impedancia de secuencia cero propia de los conductores de fase. Zo a g = Impedancia de secuencia cero mutua entre los conductores de fase y los hilos de guarda. Zo g = Impedancia de secuencia cero propia de los hilos de guarda. Impedancia de secuencia cero propia de los conductores de fase ( ) Dónde: r a = Resistencia de secuencia positiva del conductor. r e = Resistencia de secuencia cero del conductor en función de la frecuencia. X a = Reactancia inductiva propia del conductor. X e = Reactancia inductiva de secuencia cero en función de la resistividad del terreno y de la frecuencia. X d = Reactancia inductiva mutua entre conductores. 70

79 Impedancia de secuencia cero propia de los hilos de guarda. Dónde: Rag, Xag = Resistencia y reactancia inductiva propias del hilo de guarda, estos valores se toman de las tabas de conductores. re, Xe = Resistencia y reactancia de secuencia cero del conductor en función de su frecuencia. Xdg = Reactancia inductiva mutua entre los hilos de guarda. n = número de hilos de guarda. Para líneas con un hilo de guarda: Para líneas con dos hilos de guarda: Impedancia de secuencia cero mutua entre conductores de fase e hilos de guarda Dónde: re, Xe = Resistencia y reactancia de secuencia cero del conductor en función de su frecuencia. Xd = Reactancia de secuencia cero debida al espaciamiento entre los conductores de fase y los hilos de guarda. Pies 3.7. SOBRECARGAS La sobrecarga se define en la NOM-001-SEDE-2005 como el funcionamiento de un conductor que excede su capacidad de conducción de corriente nominal, cuando tal funcionamiento, al persistir por suficiente tiempo puede causar daños o sobrecalentamiento peligroso. Una falla, tal como un circuito corto o una falla a tierra, no es una sobrecarga. 15 Por lo tanto, cuando se sobrepasa el valor de la corriente nominal de un alimentador durante un tiempo prolongado, este tiene un resultado de tal modo que la respuesta térmica no es instantánea, ya que no incrementa rápidamente la temperatura del conductor por el paso de la corriente, sino que la temperatura aumenta gradualmente hasta alcanzar el punto máximo de equilibrio térmico, cuando el calor generado y el calor disipado son iguales, con efectos negativos en: 15 NOM-001-SEDE-2005 Instalaciones Eléctricas (utilización), 4.1 DISPOSICIONES GENERALES CAPITULO 1, ARTICULO DEFINICIONES. 71

80 Aislamiento. Pantalla eléctrica. Conductor. Los valores de temperatura recomendados por las especificaciones del conductor, en condiciones de operación con los aislamientos mayormente utilizados en media tensión se muestran en la tabla Tabla TEMPERATURA DE SOBRECARGA DE LOS AISLAMIENTOS DE CONDUCTORES DE ENERGÍA EN MEDIA TENSIÓN Temperatura máxima de Tipo de aislamiento sobrecarga Papel impregnado 1 kv 2.9 kv kv kv 115 ºC 110ºC 100 ºC 110 ºC EP kv 130 ºC XLP kv 130 ºC El cálculo de capacidad máxima de conducción de corriente en el conductor depende de parámetros relacionados con la transmisión temperatura producida en el conductor y el medio que lo rodea, sin tomar en cuenta las pérdidas que se presentan en el dieléctrico. Condición normal: Temperatura generada (3a) Temperatura disipada (3b) (3c) Corriente máxima (3d) Condiciones de sobrecarga: Temperatura generada (3e) Temperatura disipada (3f) Corriente de sobrecarga (3g) Obteniendo la expresión del incremento permisible de la capacidad de corriente en un conductor aislado para media tensión, en un periodo de sobrecarga. 72

81 Amperes (3h) Dónde: In = Valor de la corriente demandada por la carga que lleva el conductor en condiciones normales de operación Isc = Valor de la corriente de sobrecarga permisible en el conductor To = Temperatura máxima de sobrecarga del conductor Tc = Temperatura de operación normal del conductor Ta = Temperatura ambiente R = Factor de corrección por temperatura de operación normal de la resistencia del conductor. Ro= Factor de corrección de la temperatura máxima de sobrecarga de la resistencia del conductor. En la tabla se muestran valores de factores de corrección de la temperatura de operación normal y temperatura máxima de sobrecarga y con el valor de la corriente de sobrecarga sostenida en un periodo no mayor a 2 horas, partiendo de la temperatura nominal de operación del conductor. Tabla SOBRECARGAS PERMISIBLES PARA TIEMPOS MENORES A 2 HORAS Tipo de aislamiento Papel impregnado 1 kv 2-9 kv kv kv normal Temperatura del conductor sobrecarga Factores de incremento por temperatura ambiente 20 ºC 30 ºC 40 ºC 50 ºC Cu Al Cu Al Cu Al Cu Al EP XLP En periodos de mayor tiempo se obtienen valores más precisos con ecuaciones como la siguiente: Ampers (3i) (3j) Donde: T = Duración de la sobrecarga en horas K = Constante térmica de tiempo que depende de la resistencia térmica entre el conductor y el medio en que lo rodea, así como su diámetro. Tc1 = Temperatura del conductor en el momento en que se inicia la sobrecarga, en ºC Tc = Temperatura de operación normal del conductor, en ºC Ta = Temperatura del medio ambiente, en ºC 73

82 Tabla FACTORES DE CORRECCIÓN DE LA RESISTENCIA POR VARIACIÓN DE LA TEMPERATURA DEL CONDUCTOR Factor de multiplicación Cobre Aluminio Temperatura ºC Generalmente la temperatura del conductor se encuentra en las condiciones de diseño y debe ser precisamente la de operación, es decir Tc = Tc 1, reduciendo la formula a: Amperes (3k) En la figura se muestra la gráfica el valor de la temperatura en el conductor con respecto al tiempo cuando se rompe el equilibrio térmico debido al flujo de una sobrecorriente. Figura GRÁFICA DEL INCREMENTO DE LA TEMPERATURA INICIAL DEL CONDUCTOR 74

83 Como se observa en la gráfica, la variación no es lineal, sino que corresponde a una ley exponencial. Calibre del conductor; Unipolar o tripolar Tabla VALOR APROXIMADO DE LA CONSTANTE K Conductor en aire Conductor en tubo conduit expuesto Conductor subterráneo Conductor directamente enterrado Hasta el 4 AWG Del 2 al 4/0 AWG kcmil y mayores k t Tabla VALOR DE B EN FUNCIÓN DEL TIEMPO Y LA CONSTANTE ¼ h ½ h ¾ h h h h h h h h h h h h h SOBRETENSIONES Se considera una sobretensión cualquier impulso de tensión que supera la magnitud nominal (tensión normal de operación) de un equipo o sistema existente entre fase y tierra o entre fases. De acuerdo a su forma y duración, las sobretensiones se clasifican en: SOBRETENSIÓN TEMPORAL Las sobretensiones temporales se caracterizan por sus amplitudes, sus formas de onda y sus duraciones. Todos los parámetros dependen del origen de las sobretensiones, y las amplitudes y formas de onda pueden variar durante la permanencia de la sobretensión. Para propósitos de coordinación de aislamiento, la sobretensión temporal representativa se considera que tiene la forma de la tensión normalizada de corta duración (1 min) a 60 Hz. Su amplitud puede definirse por un valor (el máximo supuesto), un conjunto de 75

84 valores cresta, o una distribución estadística completa de valores cresta. La selección de la amplitud de la sobretensión representativa debe tomar en cuenta lo siguiente: La amplitud y duración de la sobretensión real en servicio. La característica de aguante amplitud-duración a 60 Hz del aislamiento considerado. Si esta última característica no es conocida, como una simplificación, la amplitud puede tomarse igual a la sobretensión máxima real que tenga una duración en servicio menor de 1 min y la duración de esta sobretensión máxima puede tomarse de 1 min. En casos particulares, puede adoptarse un procedimiento de coordinación de aislamiento estadístico en el que se describa la sobretensión representativa mediante una distribución de frecuencias amplitud/duración de las sobretensiones temporales que se esperan en servicio SOBRETENSIÓN TRANSITORIA Elevación de tensión de corta duración, milisegundos, son ocasionadas debido a: Sobretensión de frente lento (maniobra) Sobretensiones de frente rápido (descargas eléctricas atmosféricas ) Sobretensiones de frente muy rápido Sobretensión combinada SOBRETENSIÓN DE FRENTE LENTO Es la sobretensión entre fase y tierra o entre fases en un lugar determinado de la red y son debidas principalmente a la modificación en la configuración de la red (maniobras o disparo de líneas) que producen complejos regímenes transitorios Estas sobretensiones tienen duraciones en el frente desde decenas hasta miles de microsegundos, y duraciones en la cola del mismo orden de magnitud y son oscilatorias por naturaleza. Generalmente se originan por: Energización y re energización de líneas, Fallas y liberación de fallas, Rechazos de carga, Maniobras con corrientes inductivas o capacitivas, Impacto lejano de rayos en los conductores de líneas aéreas. El esfuerzo de tensión representativo se caracteriza por: Una forma de tensión representativa, Una amplitud representativa, la cual puede ser una sobretensión máxima asumida o una distribución de probabilidad de las amplitudes de las sobretensiones. 16 NMX-J-150/2-ANCE-2004 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO - PARTE 2: GUÍA DE APLICACIÓN 76

85 La forma de tensión representativa, es la del impulso por maniobra normalizado, (tiempo a la cresta 250 μs y tiempo al valor medio sobre la cola μs). La amplitud representativa es la amplitud de la sobretensión, considerada independiente de su tiempo de cresta real. Sin embargo, en algunos sistemas en la categoría II, pueden ocurrir sobretensiones con frentes muy largos y la amplitud representativa puede obtenerse considerando la influencia de la duración del frente sobre la rigidez dieléctrica del aislamiento. La distribución de probabilidad de las sobretensiones sin la operación del apartarrayos, se caracteriza por su valor 2 %, su desviación y su valor de truncación. Aunque no es perfectamente válido, la distribución de probabilidad puede aproximarse por una distribución Gaussiana entre el valor 50 % y el valor de truncación arriba de los cuales se supone no existen valores. Alternativamente puede utilizarse una distribución modificada de Weibull (véase apéndice C). El valor máximo supuesto de la sobretensión representativa es igual al valor de truncación de las sobretensiones o igual al nivel de protección a impulso por maniobra del apartarrayos considerando el menor valor. 17 Figura SOBRETENSIÓN DE FRENTE LENTO SOBRETENSIÓN DE FRENTE RÁPIDO Tienen origen en descargas atmosféricas directas en los conductores de fase o por flámeos inversos, con una forma de onda con duración que va desde un tiempo pico de 1,2 µs y un tiempo de cola de 50 µs. 17 NMX-J-150/2-ANCE-2004 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO - PARTE 2: GUÍA DE APLICACIÓN 77

86 Figura SOBRETENSIÓN DE FRENTE RÁPIDO Las tormentas eléctricas son acontecimientos muy usuales y peligrosos. Al incidir, un rayo provoca un impulso de corriente que alcanzar decenas de miles de amperes. Esta descarga origina sobretensiones en el sistema eléctrico que puede causar incendios, destrucción del equipo e inclusive la muerte del personal. El efecto de las descargas atmosféricas se hace énfasis en el caso de las líneas de transmisión por representar el punto de los sistemas eléctricos que más expuesto esta a la incidencia de las descargas atmosféricas. La mayoría de las líneas de transmisión cuentan con un sistema de blindaje contra descargas atmosféricas por medio del hilo de guarda. Sin embargo, el blindaje no es 100% confiable ya que existe la posibilidad de que los rayos incidan directamente en los conductores de fase. Esta condición de descarga directa representa el caso más crítico desde el punto de vista del dimensionamiento dieléctrico y comportamiento de los alimentadores, ya que la magnitud de la descarga puede ser tan grande que exceda la rigidez dieléctrica y distancias en aire entre conductores de fase a tierra, produciendo un arco eléctrico y causar los daños anteriormente mencionados. Se considera que a partir del punto de incidencia de la descarga sobre los conductores de fase, la corriente se divide en dos partes iguales y la onda de tensión viaja en ambas direcciones de la línea a la velocidad de la luz. El valor de dicha tensión para una magnitud de corriente de rayo dada, se calcula como: Donde: Zc = impedancia característica de la línea [Ω/fase] Vc = Tensión del conductor de fase con respecto a tierra al incidir la descarga atmosférica [kv cresta] La impedancia característica de la línea representa un valor de impedancia que se manifiesta solo ante ondas unidireccionales o de muy alta frecuencia y se determina de acuerdo con la siguiente expresión: 78

87 Donde: L = inductancia de la línea [H/fase] C = capacitancia de la línea [F/fase] Dimensionamiento del aislamiento 3.9. FALLAS MECÁNICAS Y ERROR HUMANO Entre las principales causas de las fallas están: el viento, objetos que interfieran en las líneas como: animales, crecimiento de arboles u objetos extraños, por error humano: mala selección de equipos y/o conductores, así como su mala instalación, vandalismo. Equipos o conductores defectuosos ERROR HUMANO Debido a que personal mal capacitado que en ocasiones está a cargo de proyectos de distribución de la energía, por no tener idea de los elementos de una instalación pretenden ahorrar económicamente comprando materiales inadecuados o quitando parte del proyecto como lo son postes, poniendo en riesgo la instalación debido a que no cuenten con el soporte adecuado y que factores como el viento puedan ocasionar fallas del tipo eléctrico al derrumbar los conductores. Otro factor que puede ser causa de falla y relacionado con el personal es el de la instalación, el cual se da por mala capacitación, y que pueden cometer errores que dañen a los alimentadores en el transporte del material al lugar de la instalación por no ser cuidadosos, que al instalar los conductores los dañen mecánicamente o que no sean sujetos de manera adecuada produciendo riesgos de que se desprendan y ocasionen fallas eléctricas. Para evitar errores de este tipo se debe ser cuidadoso primeramente en los criterios de selección del material a utilizar, tomando en cuenta factores como: El área de sección transversal de los conductores elegidos deberán ser de un tamaño óptimo para llevar a la carga especificada y soportar el sobrecalentamiento debido a las corrientes de circuito corto y sobrecarga, además de que debe estar dentro de los límites de los requeridos por caída de tensión. El aislamiento aplicado a los conductores debe ser adecuados para la operación continua a la tensión de trabajo especificada con un alto grado de estabilidad térmica, seguridad y fiabilidad. Todos los materiales usados en la construcción deben ser seleccionados cuidadosamente con el fin de garantizar un alto nivel de estabilidad térmica en el conductor a lo largo de la vida útil del conductor en el medio ambiente seleccionado. El conductor debe ser fuerte mecánicamente y suficientemente flexible para soportar las operaciones de instalación, manipulación durante el transporte o 79

88 cuando el conductor instalado sea enterrado directamente en trincheras, ductos o apoyado sobre bastidores de conductor Adecuada protección exterior mecánica que se debe aplicar en el aislamiento y la pantalla metálica, para que resista las condiciones requeridas para entorno de servicio CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS TENSIÓN DE JALADO Una de las fallas que pueden presentarse en los conductores de energía es la deformación que estos ostentan debido a la tensión de jalado, tensión máxima de jalado es la fuerza mecánica máxima que no excede los límites elásticos del conductor, los daños que presenta una tensión de jalado inadecuada: la excesiva elongación del alimentador o el desprendimiento del aislamiento con respecto al conductor por tensiones mecánicas bruscas, alterando sus características que causan desplazamiento de los componentes los cuales puedan crear espacios vacíos los cuales son puntos de deterioro por efecto corona. La tensión de jalado no debe considerar los siguientes parámetros: Tensión mecánica permisible en el conductor Tensión mecánica permisible en el dispositivo de agarre Presión lateral permisible Lo esencial en el diseño de líneas de distribución es determinar las tensiones y longitudes máximas de jalado en conductores de energía. Para la instalación de alimentadores es necesario considerar las tensiones y longitudes máximas de jalado y las presiones máximas laterales con el fin de asegurar la calidad de la instalación de los conductores y evitar problemas durante su operación. Las tensiones máximas permisibles a las que se deben aplicar durante su instalación no debe sobrepasar los límites recomendados por los fabricantes, cabe señalar que en la forma de sujetar el conductores al realizar el jalado, la tensión mecánica varía según el método utilizado. Lo recomendable es hacerlo directamente del conductor ya que es el material con mayor resistencia a la tensión. Durante el tendido del conductor se debe verificar la tensión de jalado mediante un dinamómetro. Para su cálculo se utilizan las siguientes formulas: Tensión de jalado en sección recta: Tensión de jalado en sesión curva: Donde: T= Tensión de salida. 80

89 Tin= Tensión de entrada. W= Peso del conductor por unidad de longitud. l = Longitud de la sección recta. µ = Coeficiente de fricción. ѳ = Ángulo de la curva. Para las tensiones máximas de jalado, esta no deberá exceder: Donde: Tm = Tensión máxima permisible, en kg T = Tensión en unidad de kg/, 0.7 para el cobre n = Número de conductores A = Sección transversal de cada conductor, en Longitud de jalado Distancia máxima que puede jalarse un Conductor durante su instalación, de tal forma que no se dañe RADIOS DE CURVATURA Es la máxima flexión que presenta un conductor, garantizando que sus propiedades eléctricas y mecánicas no se alteren. La norma ICEA S indica en el apéndice I, que el radio de curvatura mínimo en conductores de media tensión sin armaduras en instalación no debe ser inferior a 12 veces el diámetro exterior del mismo PRESIÓN LATERAL Figura RADIO DE CURVATURA Es el esfuerzo transversal que experimenta el conductor en una curva cuando esta bajo tensión. Es importante tenerlo presente ya que la presión lateral excesiva causa fisuras o 81

90 deformaciones en el conductor, de modo que este parámetro es también restrictivo en el proceso de instalación. En un conductor, la presión lateral depende tanto del radio de curvatura del ducto y la tensión a la cual está sometido. El esfuerzo transversal es directamente proporcional a la tensión mecánica en el conductor e inversamente proporcional al radio de curvatura del ducto. Para conocer la presión lateral en el conductor se tiene la siguiente fórmula: Donde: Pl= Presión lateral en el conductor. T= Tensión longitudinal a la que se está sometiendo el conductor. R= Radio de la curvatura TERMINALES Un complemento de los conductores eléctricos, las terminales son accesorios que dan una transición entre las líneas aéreas a subterráneas o viceversa. En sistemas de distribución subterráneas la utilización de terminales tiene como primer objetivo reducir o controlar los esfuerzos eléctricos presentes en el aislamiento del conductor, retirando e interrumpiendo la pantalla del aislamiento para proporcionar una distancia de fuga adicional. Todos los conductores tienen un cono deflector que es un componente de la terminal que se une a la pantalla metálica del conductor. Clasificación Las terminales que se clasifican en la siguiente forma: a) Terminal Clase 1 La terminal Clase 1 es aquélla que proporciona el control de los esfuerzos eléctricos que se presentan en el aislamiento del Conductor al interrumpir y retirar la pantalla semiconductora; proporciona aislamiento externo completo contra corrientes de fuga entre el(los) conductor(es) y tierra; proporciona un sello al final del Conductor contra la entrada del ambiente externo y mantiene la presión de operación de diseño del sistema del Conductor, si existe. Esta clase está dividida en tres, que son las siguientes 18 : Clase 1A: Para usarse en Conductor con aislamiento extruido. Clase 1B: Para usarse en Conductor con aislamiento laminado. Clase 1C: Para usarse en sistemas de Conductor presurizado. 18 NMX-J-199-ANCE-2002 TERMINALES PARA CABLE AISLADO CON PANTALLA PARA USO INTERIOR Y EXTERIOR, 2,5 kv A 230 kv, EN CORRIENTE ALTERNA ESPECIFICACIONES Y MÉTODOS DE PRUEBA 82

91 b) Terminal Clase 2 La terminal Clase 2 es aquélla que proporciona el control de los esfuerzos eléctricos que se presentan en el aislamiento del Conductor al interrumpir y retirar la pantalla; proporciona aislamiento externo completo contra corrientes de fuga entre el(los) conductor(es) y tierra. c) Terminal Clase 3 La terminal Clase 3 es aquélla que proporciona únicamente el control de los esfuerzos eléctricos que se presentan en el aislamiento del Conductor al interrumpir y retirar la pantalla. Tabla Características dieléctricas para terminales para Conductor con aislamiento laminado Tensión de designación kv Tensión máxima de diseño a tierra kv Tensión de aguante durante 1 min en seco kv rcm Tensión de aguante durante 10 s en húmedo (3) kv rcm Pruebas de tensión a 60 Hz (1) Tensión de aguante durante 6 h en seco kv rcm Tensión de prueba de envejecimiento acelerado kv rcm Tensión de radio interferencia kv Tensión de aguante de impulso por rayo (4) kv cresta Tensión de aguante de c.d. durante 15 min (9) kv promedio 2,5 1, , ,7 5, , , NOTAS (1) La frecuencia del sistema debe ser de 60 Hz. (2) Todos los valores de prueba de tensión de aguante son sin tolerancia negativa pero pueden incluir factor de corrección atmosférica (3) Las terminales tipo interior no se someten a pruebas en húmedo. (4) Los valores de tensión de impulso por rayo deben aplicarse con polaridades positiva y negativa (ver Apéndice D). (5) En terminales de conductores múltiples las pruebas deben realizarse entre cada conductor y tierra, conectando a tierra los conductores restantes. (6) Los valores en la tabla son de uso general, las terminales con tensiones, de aguante de impulso por rayo, mayores o menores pueden usarse cuando estén garantizadas y cumplan lo especificado. (7) Las terminales que dependen de derivaciones superiores o de aislamientos auxiliares deben probarse con estos. (8) Cuando se prueban terminales para equipos, si estos tienen tensiones de prueba menores, deben aplicarse las del equipo. (9) Las pruebas de tensión de aguante en corriente directa son con polaridad negativa. Ver (10) Algunos tipos de resistencias o capacitancias de terminales son sensibles a las pruebas de sobretensiones prolongadas aunque en servicio no se afecten, en tal caso el fabricante debe especificarlo e indicar las pruebas alternas NMX-J-199-ANCE-2002 TERMINALES PARA CABLE AISLADO CON PANTALLA PARA USO INTERIOR Y EXTERIOR, 2,5 kv A 230 kv, EN CORRIENTE ALTERNA ESPECIFICACIONES Y MÉTODOS DE PRUEBA 83

92 Figura TERMINALES TIPO INTERIOR CONECTORES Y EMPALMES Se entiende por empalme a la conexión y reconstrucción de todos los elementos que constituyen un Conductor de media tensión. Los materiales del empalme deben ser compatibles con los elementos constitutivos del Conductor que se unirá, y se comportará eléctrica y mecánicamente como los conductores que une. Existen varias tecnologías para la elaboración de empalmes, de las cuales las más comunes son: a) Encintadas b) Contráctiles en frío c) Termocontráctiles e) Premoldeados EMPALMES ENCINTADOS Esta tecnología emplea diferentes tipos de cintas, se restituye los diferentes componentes del Conductor a excepción de conductor, esto se lleva a cabo aplicando cintas en forma sucesiva, hasta obtener todos los elementos del Conductor. Esta tecnología es la más económica pero requiere más tiempo de instalación y probabilidades de falla por mano de obra. No obstante las cintas tienen una gran ventaja, ya que con los mismos tipos de materiales se puede hacer frente a cualquier tamaño de conductor y tensión de Conductor entre los 5 y los 69 kv, de modo que aunque sea más lenta para su elaboración, en casos de emergencia facilitan mucho más la posibilidad de conseguir de inmediato los materiales que se requieren para una terminal o empalme. 84

93 EMPALMES CONTRACTILES EN FRIO Esta tecnología consiste en tubos de material con memoria elástica pre ensanchados y colocados sobre un núcleo plástico removible, el cual se retira jalando un cordón. Esta tecnología es la más rápida, confiable y segura para instalarse, ya que no requiere la utilización de herramientas especiales, tampoco de una preparación complicada ni tampoco de labores que impliquen un cansancio físico, por lo cual las instalaciones tienen una menor probabilidad de fallar EMPALMES TERMOCONTRACTILES Esta tecnología emplea tubos termocontráctiles para reconstruir las capas del Conductor de potencia; tiene la desventaja de que al instalarlo se corre el riesgo de degradar el aislamiento primario del Conductor, ya que este último soporta una temperatura de 90 C y de sobrecarga hasta de 130 C durante una hora, mientras que los tubos termocontráctiles comienzan su contracción a partir de los 110 C, por lo que la probabilidad de un sobrecalentamiento por concentración de flama o la mínima distracción pueden ser fatales para la vida útil del Conductor en el que son instalados. No obstante estos productos también proveen un sello confiable sobre el Conductor, tanto como los contráctiles en frío, aunque son un poco más resistentes a los cortes que los materiales de hule. Esta tecnología se encuentra restringida en áreas clasificadas, tal como refinerías e industrias que requieran/produzcan/manejen combustibles, ya que la necesidad de flama los convierte en una fábrica de accidentes poco deseable, o bien, en una grave dificultad para el departamento de mantenimiento para conseguir libranzas de operación y/o permisos para uso de fuego EMPALMES PREMOLDEADOS Esta tecnología emplea una pieza de fabricado con hules elastoméricos al tamaño preciso del conductor, o sea para una determinada tensión y tamaño en específico (puede dañarse el aislamiento al momento de la instalación). Requiere fuerza física para su instalación y su sello no es tan confiable como en los casos anteriores. 85

94 Capítulo IV En este capítulo se dan a conocer los procedimientos y criterios de aceptación y rechazo a los alimentadores, para las pruebas de campo en media tensión. Las pruebas de campo identifican de forma no destructiva, algún problema que exista en el sistema, de manera tal que puedan tomarse acciones preventivas para evitar posibles fallas que se traduzcan en una interrupción del servicio. En general, los objetivos de la tecnología de pruebas son: Reducir el nivel de riesgo en las instalaciones de conductores de media tensión. Establecer criterios de remplazo/renovación localizando las secciones de cables con alto riesgo. 86

95 4. PRUEBAS A CONDUCTORES DE ENERGÍA 4.1. INTRODUCCIÓN Las pruebas eléctricas de campo son las que se aplican durante y después de la instalación de los alimentadores, antes de su puesta en servicio y posteriormente cuando las condiciones de operación del alimentador lo exijan. Durante las Pruebas de campo a conductores de energía, además de verificar el estado de los alimentadores durante y después de la instalación, una parte indispensable es la seguridad en los procedimientos realizados por el personal, se deben establecer medidas de seguridad para que las pruebas sean efectuadas sin algún riesgo para el operador. Una vez tomada en cuenta la seguridad se realizan estos procedimientos con el fin de determinar si el conductor (nuevo o ya en servicio) cumple con las características adecuadas de operación, si los valores obtenidos en las pruebas indican que el conductor no cumple con ellas y ofrece un nivel de riesgo, los alimentadores son rechazados para estar en operación. Durante la vida útil de un conductor, este se somete a múltiples pruebas que comienzan en fábrica, llamadas pruebas a prototipos, posteriormente durante la instalación y puesta en servicio. Las pruebas a conductores son la base principal para verificar y apoyar los criterios de aceptación o rechazo, así como analizar los efectos cuando sucedan cambios o variaciones con respecto a los valores iniciales de puesta en servicio. Es importante considerar ciertos parámetros para definir correctamente los resultados de las pruebas, algunos de estos factores son controlables en las pruebas a prototipo como la temperatura y humedad, desafortunadamente, en las pruebas de campo no es posible controlar este tipo de condiciones ambientales, por lo cual se corrigen a lo establecido normativamente, debido a que influyen en los resultados de las pruebas y por lo tanto el aprobar o no los resultados. Las pruebas de campo se emplean comúnmente para determinar la condición de instalado y de funcionamiento. Antes de instalar conductores en ductos, se debe verificar por medio de cálculos que las tensiones máximas de jalado y presiones laterales máximas toleradas por los conductores no deberán ser excedidas durante la instalación. Después de que los conductores se han instalado, se realizan pruebas para verificar que las acciones efectuadas durante la instalación no hayan afectado y/o reducido las propiedades a los alimentadores, de tal modo que antes de ser puestos en servicio se realizan pruebas. Además se efectúan pruebas de mantenimiento, estas pruebas son durante la vida operativa del conductor y se realizan cuando las condiciones de operación del alimentador lo exijan, ayudan a detectar anomalías, verificar la operabilidad y a divisar si es conveniente iniciar un proceso de mantenimiento, por lo tanto son pruebas de aceptación o rechazo. Las pruebas de mantenimiento son opcionales, estas pruebas se dividen en las siguientes categorías: Pruebas de campo correctivas: encargadas de detectar defectos en el aislamiento del alimentador con el fin de mejorar la fiabilidad del servicio después de que la parte defectuosa se retira y realizando las reparaciones 87

96 pertinentes. Estas pruebas se consiguen normalmente mediante la aplicación de tensiones relativamente elevadas al aislamiento con una duración prescrita. Pruebas de campo de diagnostico o predictivas, destinadas a proporcionar indicios del posible deterioro del aislamiento. Algunas de estas pruebas se utilizan para determinar la condición general de un alimentador y otras que indican las localizaciones de las fallas que pueden convertirse en puntos de falla. Se realiza por medio de la aplicación de tensiones moderadas de corta duración, o por medio de tensiones bajas ASPECTOS DE SEGURIDAD PARA LA REALIZACIÓN DE PRUEBAS DE CAMPO Antes de describir los procedimientos y criterios, se establece que este tipo de pruebas no deben de realizarse en condiciones atmosféricas perjudiciales para los operadores, este tipo de condiciones ambientales como tormentas eléctricas. En el caso de que ocurran estos fenómenos durante su realización, por seguridad se suspenderán las actividades. No se deberán modificar las conexiones de seguridad realizadas (puesta a tierra), es decir, si algún equipo o elemento es conectado a tierra para la realización de la prueba, no se debe abrir el circuito durante la prueba por seguridad. Para la realización de las pruebas en condiciones climáticas favorables se deben tomar algunos aspectos fundamentales para que los resultados obtenidos en las pruebas se evalúen de mejor la forma y así ofrecer criterios de aceptación o rechazo o Temperatura La rigidez dieléctrica de algunos aislamientos se reduce a temperaturas elevadas, así que para temperaturas altas el ensayo requiere una reducción en la tensión de prueba. El cambio de temperatura producido en el aislamiento, debido a la disipación de calor desde el conductor, puede implicar una distribución anormal de tensión en el aislamiento tras la aplicación de alta tensión debido al ensayo, esta condición climatológica no es posible controlarla, por lo cual, se deberá medir la temperatura a la que se realice la prueba y posteriormente corregidos los valores obtenidos, en este caso a 20 ºC. o Condiciones atmosféricas La alta humedad y las condiciones que favorecen la condensación en las superficies expuestas pueden afectar los resultados de la prueba. La contaminación de la superficie de las terminales incrementa considerablemente la corriente de 88

97 conducción y proporciona el arqueo externo. La densidad del aire afecta la medición de la prueba, incrementando la corriente de conducción. Los factores de corrección son los siguientes: Presión atmosférica b o = kpa Humedad absoluta h ao = 11 g/m 3 o Campos eléctricos de equipos o elementos cercanos. La influencia de campos eléctricos, debido a la proximidad de equipos energizados al momento de realizar pruebas induce tensiones al alimentador bajo prueba, como primer punto, pone en riesgo la integridad física del personal que lo realiza, como segundo punto, afecta directamente en los resultados. Cuando el espacio es reducido, se tomarán las precauciones necesarias para prevenir los arqueos. Tipos de pruebas en campo Pruebas de alta tensión Análisis del aislamiento Corrientes de fuga Pruebas con muy baja frecuencia Análisis del aislamiento Corrientes de fuga Descargas parciales Factor de disipación A continuación se ofrece una descripción general de los métodos conocidos para la realización de pruebas de campo a conductores y las medidas de seguridad requeridas CONSIDERACIONES INICIALES MANEJO, ALMACENAJE Y TRANSPORTE ADECUADO DEL MATERIAL Ante la posibilidad de que al transportar el material o al ser instalado, estas labores no se realicen de manera adecuada produciendo daños a los elementos del alimentador que modifiquen sus características de operación. Se precisa realizar una serie de pruebas para verificar y ofrecer criterios de las características de aislamientos, pantallas eléctricas y conductores cuando el material es recibido con el fin de evitar este tipo de problemas. Durante el transporte del material desde la fábrica al lugar donde será instalado pueden sufrir daños como: Ruptura o elongación de aislamiento Trozado del conductor Ruptura la pantalla dieléctrica 89

98 El deterioro es debido a los esfuerzos mecánicos producidos durante el manejo, almacenaje y transporte de los carretes que contienen a los conductores. Para evitar dañar el material se debe realizar una serie de actividades descritas a continuación: Manejo El manejo de los carretes con el conductor se debe realizar con un montacargas o con una grúa. Figura MANEJO ADECUADO DEL MATERIAL CON MONTACARGAS Para el manejo con grúa se debe emplear una barra espaciadora para evitar que las cuerdas o las cadenas con que se levanta el carrete aplasten a las bridas y se dañe el conductor. Figura MANEJO ADECUADO DEL MATERIAL CON GRÚA Para trasportar el material, los carretes deben ser rodados lo menos posible, pero si es necesario hacerlo se deben rodar en el sentido que indica la flecha que está en las bridas del carrete, evitando realizar la maniobra sobre superficies irregulares. Almacenaje Los carretes deben almacenarse siempre en posición vertical; y si el tamaño y peso de los carretes lo permiten pueden estibarse hasta dos capas. En este caso, 90

99 para evitar que los carretes de la capa de abajo rueden, se deben emplear cuñas o bloques de madera entre el piso y las bridas. Cuando se almacenan varios carretes juntos, las bridas de los carretes deben estar alineadas para evitar que una brida de un carrete golpee o presione al conductor de otro carrete. Figura MODO DE ALMACENAJE En lugares húmedos, los carretes se deben almacenar separados del suelo, sobre maderos adecuados, tarimas u otros soportes. Se recomienda almacenar los carretes con el conductor en lugares cubiertos o techados para protegerlos del sol y de la lluvia. Si por alguna razón los carretes se almacenan a la intemperie, se deben cubrir con lonas u otras protecciones para evitar daños al conductor. Se debe verificar el buen sello de los capuchones termocontráctiles que se encuentran en los extremos del alimentador y en caso de estar dañados o de que no garanticen el sello hermético deben ser remplazados. En caso de que por alguna razón, como el corte de un tramo del conductor en el carrete, se retire alguno de los capuchones termocontráctiles de los extremos del conductor, si este último va a continuar almacenado se debe colocar un nuevo capuchón con material sellador que impida la entrada de humedad al interior del conductor. Transporte Las maniobras de carga y descarga de los carretes con conductor del camión, plataforma, tren u otro medio de transporte deben hacerse por medio de montacargas o grúa; o en el caso de la descarga, si la altura de la plataforma del medio de transporte coincide con la del piso donde se va a descargar el carrete, la maniobra puede realizarse rodando el carrete, en caso de que no se tenga la misma altura, se debe descargar a una plataforma hidráulica la cual amortiguara los impactos sobre el material. La descarga de los carretes del medio de transporte no se debe hacer dejando caer al carrete sobre llantas o algún otro objeto. 91

100 Figura MODO SEGURO DE DESCARGA DEL MATERIAL Los carretes deben colocarse en el transporte en posición vertical, con las bridas alineadas (para evitar que una brida de un carrete golpee o presione al conductor de otro carrete). Para evitar que los carretes rueden se deben colocar cuñas de madera entre el piso de la plataforma del transporte y las bridas de los carretes. Dichas cuñas deben estar sujetas a la plataforma del transporte. No deben clavarse las cuñas de madera a las bridas del carrete, ya que los clavos pueden rebasar el espesor de la madera de la brida y dañar al conductor. Los carretes se deben fijar por un medio adecuado para evitar que se muevan durante el transporte; por ejemplo haciendo pasar cadenas resistentes por el agujero central de las bridas y sujetando estas cadenas al transporte. Figura MÉTODO DE TRANSPORTE DEL MATERIAL Los problemas más frecuentes originados en el proceso de instalación suelen afectar al aislamiento en forma de roturas del mismo debido a las excesivas fuerzas mecánicas utilizadas, métodos inadecuados e instrumentos o equipo no adecuado para la actividad, dañando a los alimentadores. En cuanto a conductores ya instalados las fallas en conductores se pueden dar debido a las condiciones ambientales, roedores, obras, máquinas excavadoras, vandalismo, etc. 92

101 4.4. PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Y APLICACIÓN DE ALTA TENSIÓN PRUEBAS DE CAMPO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Y APLICACIÓN DE ALTA TENSIÓN DE LARGA DURACIÓN CON CORRIENTE DIRECTA Estas pruebas se realizan con la intención de conocer el estado del aislamiento, para comprobar que los alimentadores nuevos instalados no han sufrido algún daño sobre él durante la instalación parcial o total, con o sin accesorios, antes de ser puestos en servicio y para conocer el calidad del aislamiento en conductores durante su operación después de haber sido puestos en servicio como mantenimiento preventivo EQUIPO DE PRUEBA El equipo para la Prueba de resistencia de aislamiento es el siguiente: Termómetro con escala capaz de medir la temperatura ambiente y con resolución de 1 ºC, o menor. Tanque con agua de dimensiones adecuadas y con conexión de puesta a tierra. Medidor de resistencia de aislamiento con exactitud de ± 5 %, o mejor, con resolución de 10 MΩ o menor, y que suministre un potencial constante de 500 V c.d. o Método: Medida tensión-corriente según la norma EN (ed. 02/97) o Tensión de salida nominal: 50, 100, 250, 500, 1000 VCD o Tensión en vacío: 1,1 x Un ± 5 V (50, 10,250, 500, 1000 V) o Corriente nominal: > 1 ma c.c. a la tensión nominal o Corriente de circuito corto: < 6 ma cc o Sobretensión máx. : Uef máx. = 1200 V CA y CD durante 10 segundos entre los terminales «+» y «-» 660 V CA y CD entre los terminales «G» y «-» o «G» y «+» o Gamas de medida: 50 V : 2 kω GΩ 100 V : 4 kω GΩ 250 V : 10 kω... 1 TΩ 500 V : 20 kω... 2 TΩ 1000 V : 40 kω... 4 TΩ Tabla CARACTERÍSTICAS DE MEGÓHMETRO DE ACUERDO AL RANGO Rango 2-999kΩ 1,000-3,999MΩ 4,00-39,99MΩ 40,0-399,9MΩ MΩ 1,000-3,999GΩ 4,00-39,99GΩ 40,0-399,9GΩ GΩ 1,000-3,999TΩ Resolución 1 kω 10 kω 100 kω 1 MΩ 10 MΩ 100 MΩ 1 GΩ Tensión 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V 50, 100, 250, 500, 1000 V Precisión ±(5% L +3 pt) ±(15% L +10 pt) 93

102 Medida de la tensión C.C. después de la prueba de aislamiento Rango de tensiones CD: V Resolución: 0,5% Ucd Precisión: ±1% L ±3 pt Curva de la tensión, en función de la carga Medida de la capacidad (como resultado de la descarga del elemento probado) Gama: 0, ,999 μf Resolución: 1 nf Precisión: ±(10% + 1 pt) Tiempo de establecimiento típico de la medida en función de los elementos probados Estos valores incluyen las influencias debidas a la carga del componente capacitivo, al sistema de gama automática y a la regulación de la tensión de alimentación. Tabla TIEMPO DE ESTABLECIMIENTO TÍPICO Carga no capacitiva Carga con capacidad de 1μf Aislamiento de 1MΩ 7 s 7 s Aislamiento de 500 GΩ 17 s 20 s Tiempo de descarga del elemento probado (a través de una resistencia interna de 750 kω) hasta 25 V Tabla TIEMPO DE DESCARGA DE ELEMENTOS PROBADOS Tensión inicial Tiempo de descarga 1000 V 2.8 s 500 V 2.2 s 250 V 1.7 s 100 V 1 s 50 V 0.5 s El equipo de pruebas de tensión debe contener las siguientes características: Proporcionar la máxima tensión de prueba requerida, más un margen. (Por lo general polaridad negativa) Proporcionar un medio para aumentar la tensión de forma continua o en pequeños pasos. Capacidad de proveer regulación de tensión satisfactoria. mantener un factor de ondulación como se define en el estándar IEEE 4 de menos de 3%. Normalmente la capacitancia del objeto de prueba reduce la tensión de ondulación de la fuente de corriente continua a niveles bajos. Proporcionar una fuente suficientemente potente para mantener caídas de tensión transitorios durante los impulsos de corriente a un valor inferior a 10%. Se debe actuar con precaución para evitar fuertes descargas causadas por impulsos de corriente transitorios. Proporcionar instrumentos de tensión y corriente que cumplan con los requisitos de la norma IEEE Std 4. Un ampérmetro de suficiente alcance y escala, el cual debe ser provisto para medir la corriente de fuga con precisión, deben tener un rango bajo con resolución de corrientes de 10 μa a 100 ma. 94

103 Nota: Los conductores tienen alta capacidad de absorción y las características dieléctricas con constantes de tiempo largas ponen en peligro al personal por descargas, es por esto que se debe prestar especial atención dirigida a las técnicas requeridas por la ejecución de descargas de conductores para minimizar la posibilidad de daños perjudiciales a los operadores. Fuente de alimentación Un generador para suministro de potencia con salida constante para el equipo de pruebas. Una variación mínima en el suministro causará mayor variación en el indicador de salida de corriente. La tensión de prueba debe permanecer estable a menos de 3% durante el tiempo de prueba. Otros materiales Pértiga de descarga Guantes de seguridad para alta tensión. (véase anexo 3) Letreros y cintas de guarda para aspectos de seguridad PRECAUCIONES DE PRUEBA Las pruebas de alta tensión a los conductores incluyen todos los riesgos normales asociados con trabajos en circuitos energizados. Se deben tener en cuenta las siguientes precauciones al realizar las pruebas con alta tensión de corriente continua en campo: Los circuitos tendrán normalmente una o más terminales distantes del área de prueba, las que deberán ser despejadas y protegidas para seguridad del personal. Todos los componentes requieren de conexión a tierra antes de la prueba. Mediante un indicador de tensión se verifica que no exista tensión. Todas las piezas metálicas desenergizadas en la zona de las conexiones de alta tensión deben permanecer siempre conectado a tierra. Después de la prueba de alta tensión de corriente directa y la descarga correspondiente mediante la resistencia y pértiga anteriormente descritas, puede mantenerse una carga restante en el conductor si se ha retirado la conexión a tierra, como consecuencia de la constante de tiempo muy alta asociada con los efectos de absorción dieléctrica. Los extremos del conductor requieren la separación de todos los elementos que no serán sometidos a prueba las distancias de al menos, la norma de consulta NMX-J describe la distancia mínima de 1.5 cm/kv, una recomendación del estándar del IEEE Guía para pruebas de campo de alta tensión de corriente directa en conductores con tensión nominal de 5 kv y mayores. es que esa distancia sea de menos 0,25 cm / kv para niveles de Tensión de prueba hasta 100 kv y distancias de al menos 0,5 cm / kv para tensiones de prueba mayores. Sólo cuando se tenga la seguridad de que se han completado todos los preliminares, se podrá iniciar la prueba. Deberá rodearse el área de pruebas y sólo el personal autorizado permanecerá dentro de sus límites. El operador deberá utilizar guantes en las pruebas de alta tensión. 95

104 Tan pronto como se completen las pruebas en un conductor, deberá ponerse a tierra después de que la tensión residual ha decaído al 20% o menos del valor máximo de la tensión aplicable. La conexión de puesta a tierra deberá mantenerse por lo menos 80 minutos después de haber terminado, con ello se tendrá la seguridad de que se han drenado lo suficiente todas las cargas acumuladas en el conductor como para permitir reconectarlo y asegurar el trabajo. El punto más importante cuando se realizan pruebas, es principalmente la seguridad personal, como segundo punto la fiabilidad del servicio de las instalaciones eléctricas, las condiciones deben obligatoriamente ofrecer seguridad. MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO La medición de la resistencia se basa en la ley de Ohm. Aplicando una tensión continua en c.d. con un valor conocido y menor a la prueba dieléctrica prosiguiendo a medir la corriente en circulación, determinando el valor de la resistencia. La resistencia del aislamiento idealmente presenta un valor infinito, por lo tanto, la corriente circularía únicamente por el conductor, pero al no existir un material aislante perfecto, este presenta valores de resistencia altos, debido a esto, existen corrientes mínimas que circulan por él, llamadas corrientes de fuga. En un conductor están presentes diversos factores como la temperatura o la humedad que alteran la magnitud de resistencia de aislamiento, teniendo como consecuencia variaciones en las mediciones del nivel de corriente al aplicarse una tensión constante durante la prueba. PROCEDIMIENTO Retirar en ambos extremos del conductor de 10 cm a 40 cm la cubierta y rellenos (si existe) y separar la pantalla metálica. La pantalla metálica se conecta a tierra. Preparar el conductor para la prueba, limpie las superficies aislantes con un paño seco y, si es necesario (en zonas muy contaminadas), aplique grasa de silicona para reducir al mínimo las corrientes de fuga y evitar descargas eléctricas. Conectar la terminal negativa del equipo de medición al producto bajo prueba y la terminal positiva del equipo a los demás conductores, pantallas, cubiertas metálicas o a la tina con agua según sea el caso y puesto a tierra. Aplicar la tensión de prueba y después de un minuto tomar la lectura. En la mayoría de los equipos de medición, se requiere aplicar inicialmente un tiempo de carga, el cual es de 15 s generalmente, antes de aplicar el potencial del circuito de medición. El tiempo de carga requerido, debe quedar dentro del minuto total de la tensión aplicada. Tomar la lectura de la Resistencia y temperatura ambiente 20 PRUEBA 20 NMX-J-294-ANCE-2002, CONDUCTORES RESISTENCIA DE AISLAMIENTO - MÉTODO DE 96

105 Figura DIAGRAMA DE CONEXIÓN DE MEDICIÓN DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO Al finalizar las mediciones, estas deben ser corregidas a 20 ªC como se indica en el capítulo 2, la medición debe ser comparada realizando su cálculo descrito por la ecuación 2e PREPARACIÓN DEL MATERIAL Y PROCEDIMIENTO DE LA PRUEBA DE ALTA TENSIÓN APLICADA Desconecte todos los equipos que no deben ser incluidos en la prueba, dejando las conexiones a tierra intactas. Las terminales de los conductores de conexión deben ser capaces de soportar la tensión de prueba sin fugas o calentamientos. En conductores sin terminales, retirar en cada una de las puntas la suficiente longitud de cubierta y pantallas metálicas y semiconductora sobre el aislamiento. Preparar el conductor para la prueba, limpie las superficies aislantes con un paño seco y, si es necesario (en zonas muy contaminadas), aplique grasa de silicona para reducir al mínimo las corrientes de fuga y evitar descargas eléctricas. Una conexión de salida es necesario para conectar la fuente de alimentación a la terminal del conductor bajo prueba. Esta conexión debe ser lisa y libre de irregularidades de la superficie si es posible. La prueba conduce por sí mismo, así como el circuito de medición completo debe ser libre de efecto corona si se utiliza un conductor desnudo, que debe ser de un diámetro suficiente para evitar descargas parciales de su superficie. Si un conductor aislado se utiliza, el aislamiento debe ser lo suficientemente grueso o con un diámetro lo suficientemente grande como para evitar el crecimiento de arborescencias, Si un conductor blindado se utiliza, su aislamiento y terminales deben ser adecuadas para resistir la tensión de prueba, y el blindaje debe estar en el suelo o en el potencial de prueba de seguridad del equipo. 97

106 Antes de efectuar la prueba de alta tensión con c.d., es necesario comprobar la continuidad de los conductores y pantallas. Figura DIAGRAMA DE LA PRUEBA DE ALTA TENSIÓN CON CD La tensión inicialmente aplicada no debe exceder de 1,8 veces el valor nominal de tensión de CA de fase-fase de conductor. La tensión puede ser aumentada de forma continua o en pasos para el valor de prueba máxima. Aplicar la tensión lo suficientemente lento como para evitar efectos de sobrecarga y / o la desconexión del suministro eléctrico o salirse de nivel de la prueba. El tiempo máximo de duración de la prueba es de 5 min. 21 Si la tensión se incrementa continuamente, la pauta de aumento debe ser uniforme y da lugar a la tensión de prueba máxima que se alcanzan en un período de tiempo de no menos de 10 s y no más de 60 s. Estándares internacionales recomiendan mantener este nivel de tensión (máximo) durante 15 minutos. En los casos en instalaciones con distancias de conductores muy largas, la tasa de aumento de tensión puede ser más lenta debido a consideraciones prácticas del equipo de prueba. Si el método de paso de incremento de tensión se emplea, es deseable un mínimo de cinco pasos y la duración de cada paso debe ser lo suficientemente largo para que la corriente alcance un valor estable (1 min. por recomendación). Las lecturas de corriente en cada paso de tensión deben ser registradas al final de la duración del paso. 22 Después de alcanzar la tensión máxima de la prueba y con el tiempo de duración, la magnitud de la corriente de fuga debe ser registrado por lo menos dos veces: una vez en aproximadamente 2 min y de nuevo al final del período de la prueba. Las tensiones recomendadas para la prueba se exponen en la 21 NMX-J Cables de energía con pantalla metálica, aislados con polietileno de cadena cruzada o a base de etileno-propileno para tensiones de 5 kv a 115 kv tabla IEEE std Guide for Field Testing of Laminated Dielectric, Shielded Power Cable Systems Rated 5 kv and Above with High Direct Current Voltage, sección 4.3 Testing procedure 98

107 Tabla Cuando, en la opinión del usuario, sea necesario el uso de tensiones de prueba más rigurosos, el nivel más alto debe ser determinada en consulta con los proveedores de los accesorios de los conductores y el mismo alimentador. Si algún equipo incluye una tensión más allá de la nominal del conductor y sus terminales, la rigidez dieléctrica de dicho equipo debe tenerse en cuenta al establecer la tensión de prueba. El valor aplicado no debe exceder el valor especificado en la Tabla Durante los primeros 5 años de operación y en caso de falla, puede efectuarse una prueba de alta tensión con corriente directa durante 5 minutos consecutivos como máximo de acuerdo a lo indicado en la columna correspondiente de la Tabla Tabla VALORES DE TENSIONES APLICADAS PARA LAS PRUEBAS DE CAMPO CON ALTA TENSIÓN Tensión de designación del Conductor [kv] Tensión de aguante con corriente directa durante 5 min. máximo Al terminar la instalación [kv] Después de la instalación en caso de falla [kv] A B A B Columna A 100% Nivel de aislamiento. 2. Columna B 133% Nivel de aislamiento. Tabla NIVELES DE TENSIÓN PARA LAS PRUEBA DE CAMPO DE ALTA TENSIÓN EN CONDUCTORES DE 5 KV A 500 KV 24 Tensión del conductor de Fase a Fase [kv] Tensión de prueba de aceptación en caso de falla de fase a tierra [kv] Tensión de prueba de mantenimiento de fase a tierra [kv] NMX-J Cables de energía con pantalla metálica, aislados con polietileno de cadena cruzada o a base de etileno-propileno para tensiones de 5 kv a 115 kv tabla IEEE std Guide for Field Testing of Laminated Dielectric, Shielded Power Cable Systems Rated 5 kv and Above with High Direct Current Voltage, sección 4.3 Testing procedure, tabla 1. 99

108 Figura DIAGRAMA FÍSICO CONEXIÓN PARA LA PRUEBA DE ALTA TENSIÓN CON CORRIENTE DIRECTA Tabla NÚMERO DE PRUEBAS Y CONEXIONES PARA LA PRUEBA DE ALTA TENSIÓN CON CORRIENTE DIRECTA Prueba Conductor sometido a Elementos con conexión de prueba puesta a tierra 1 Fase A Fase B y C 2 Fase B Fase Ay C 3 Fase C Fase A y B ANÁLISIS DE RESULTADOS La norma establece que a falta de normas oficiales mexicanas, falta de normas mexicanas, falta de normas internacionales que cumplan los requerimientos, se utilizaran los criterios del fabricante, por lo tanto, se utiliza el criterio de CONDUMEX en el cual indica una tendencia sobre la corriente de fuga, una vez obteniendo el registro de lecturas de corriente de fuga vs tiempo, éstas se deben graficar, y de su análisis se compara con la gráfica patrón establecida por CONDUMEX, se debe tomar la decisión sobre la aceptación del conductor. En la Figura , se muestra la gráfica patrón, cuya interpretación se describe enseguida: 1. La curva A indica buen aislamiento. 2. La curva B indica buen nivel de aislamiento, a pesar de ello, el aumento de la corriente de fuga con respecto al punto A, es causado cuando las terminales están contaminadas o húmedas. En este caso, suspender la prueba, descargar el conductor, limpiar perfectamente la terminal y reanudar la prueba. 100

109 3. El nivel de corriente de fuga en la curva C indica un aislamiento en mal estado, ya sea una burbuja, impureza o daño en el aislamiento del conductor o de las conexiones. La tensión de prueba inicia la ionización del aire contenido en la burbuja, lo que produce alta energía calorífica que causa la destrucción del aislamiento, ocasionando la falla. 4. La curva D se presenta cuando el aislamiento es defectuoso, el motivo se debe a humedad en el aislamiento, defectos de fabricación, mano de obra defectuosa durante el manejo, instalación, empalmes y terminales. En el caso de defectos de fabricación, estos se agravan durante la prueba y producen daño definitivo al aislamiento. 5. La curva E indica que el conductor soporto la tensión máxima de aplicación, a pesar de ello, contiene un alto nivel de corriente de fuga, el cual es causado debido a la presencia de humedad que, sin embargo, no es suficiente para producir falla instantánea. Nota. Cuando las corrientes de fuga van en aumento como se describe en los puntos 3 y 4 el conductor es rechazado, por ofrecer condiciones inseguras de operación. El en punto 5, el nivel de corriente de fuga advierte fallas futuras. Figura CURVAS DE CORRIENTE DE FUGA VS TENSIÓN TIEMPO EN DIFERENTES CONDICIONES DEL AISLAMIENTO DE CONDUCTORES Un criterio de rechazo para una prueba de alta tensión es que a medida que se eleva la tensión de aplicación se genera un incremento de la corriente en el tiempo, si en cualquier momento durante la prueba ocurre un incremento violento de la corriente, debe interrumpirse el procedimiento de prueba, debido a que el conductor presenta una y se procede a localizarla. 101

110 Graficar la corriente de fuga contra la tensión, en conjunto con la prueba de tensión por pasos, constituye una ayuda para evaluar las condiciones de aislamiento. Se deben guardar las gráficas de las mediciones para compararlas con mediciones futuras. A medida que la tensión de prueba se incrementa, los resultados describen el estado del aislamiento, para efectos que indiquen buena operación del aislamiento con altas tensiones de prueba soportadas y tiempos largos de duración, la corriente de fuga en el aislamiento se estabiliza en un valor del rango de µa, mediante la grafica de la figura , se observa el nivel de degradación del conductor y se verifica que es adecuado para continuar en servicio. En el caso de los aislamientos que soportan la tensión de aplicación de la prueba pero que presentan niveles de corrientes de fuga mayores, ofrecen condiciones de riesgo en los cuales los defectos por manufactura empeoran indicando fallas a futuro. (La cubierta se dará por correcta cuando la tensión aplicada permanezca estable durante el tiempo de prueba, al igual que la corriente de fuga en valores mínimos). Un dato adicional es la rigidez dieléctrica, únicamente del material aislante, establecida por los fabricantes. Tabla CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLAMIENTOS UTILIZADOS PARA MEDIA TENSIÓN DEL FABRICANTE CONDUMEX 25 Tipo de Aislamiento Características XLP EP Papel Impregnado Rigidez dieléctrica, kv/mm, (corriente alterna, elevación rápida) Rigidez dieléctrica, kv/mm (impulsos) Constante K de resistencia de aislamiento a 15.6 C. (MΩ-km) mín. Factor de potencia, % máx. (a 60 ciclos, a temp. de op.) 6,100 6,100 1, Manual CONDUMEX 102

111 Tabla CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLAMIENTOS UTILIZADOS PARA MEDIA TENSIÓN DEL FABRICANTE CONDUCTORES MONTERREY, VIAKON 26 Tipo de Aislamiento Características XLP EP Rigidez dieléctrica, kv/mm, (corriente alterna, elevación rápida) Rigidez dieléctrica, kv/mm (impulsos) Constante K de resistencia de aislamiento a 15.6 C. (MΩ-km) mín. Factor de potencia, % máx. (a 60 ciclos y 75 ºC ,100 6, Al finalizar el período de prueba, la tensión se reduce mediante el decremento en el control de tensión del equipo de prueba a un valor de cero. La tensión en el conductor se descarga a través de la resistencia interna del equipo de prueba. Normalmente esta resistencia tiene un valor óhmico muy alto y el tiempo de descarga es muy largo, especialmente para conductores de más de unos pocos 100 m (300 pies). Un largo tiempo de descarga puede ser poco práctico. Además, si el conductor esta directamente conectado a tierra, es decir con baja resistencia, y la tensión está a un nivel elevado puede dañar al alimentador. Para el cumplimiento de longitudes más largas de conductor de forma segura, los sistemas separados de puesta a tierra con función de resistencia de descarga de alta tensión son diseñados para proporcionar una constante de tiempo utilizada de varios segundos. En todos los casos, los mecanismos de descarga deben estar diseñados para manejar con seguridad la tensión de prueba y la energía almacenada en el conductor bajo prueba. Después de la tensión de ensayo se reduce a un nivel bajo, el conductor de alta tensión deben estar sólidamente conectado a tierra. El conductor debe permanecer conectado a tierra hasta que esté listo para el servicio o realizar más pruebas. Una nueva prueba no debe iniciarse hasta que el conductor se ha conectado a tierra por un período de al menos cuatro veces la duración de la prueba anterior. 26 Manual Conductores Monterrey, VIAKON 103

112 PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA INTRODUCCIÓN Esta prueba establecida en la norma NMX-J ANCE-2009, tiene por objeto verificar la estructura de un conductor. Esta es una prueba de aceptación o rechazo, el conductor mantiene la tensión de prueba o falla. La prueba proporciona información de: Descargas parciales Corriente de fuga Factor de disipación De este modo indica el estado del alimentador, existen cuatro principales aplicaciones para usar muy baja frecuencia para la prueba de conductores. 1. Instalación del conductor y/o Reparación. Una de las mejores maneras de exponer las fallas en un conductor es aplicar alta tensión c.a. usando tecnología de muy baja frecuencia. Después de que un conductor se ha instalado o reparado, este se debe probar para asegurar la condición del aislamiento, empalmes, etc. 2. Prueba preventiva de conductores. Se puede usar para ejecutar pruebas rutinarias de conductores importantes como: Alimentadores. Conductores de subestaciones. Subestaciones de salida. Conductor de clientes críticos. 3. Quemado de la Falla en un conductor. El método más efectivo de quemado de fallas en conductor para disminuir su impedancia, y ayudar a la localización de la falla. Las fallas en conductores se pueden quemar en cuestión de minutos, provocando una alteración en el carbón del aislante 4. Diagnóstico del conductor. La prueba de diagnóstico puede ser destructiva y se realiza generalmente a bajas tensiones que prueban la resistencia óhmica. Las pruebas de diagnóstico permiten la determinación de la cantidad relativa de degradación de una sección del conductor y establece, por comparación con las figuras de mérito o datos acumulados, si una sección del conductor es probable que continúe adecuadamente en servicio. 5. Diagnóstico de conductor con factor de disipación y Descargas Parciales. Tan Delta, también llamada prueba de factor de disipación o ángulo de pérdidas, es un método de diagnóstico de conductores para determinar la calidad del aislamiento del conductor. Esta es similar a la prueba de factor de potencia que se hace a otros equipos. Esta prueba se realiza para evaluar la condición del aislamiento del conductor para predecir su expectativa de vida y así priorizar el remplazo del 104

113 conductor. La prueba de descargas parciales se ejecuta para localizar y amplificar el ruido eléctrico a lo largo del conductor. Los métodos de ensayo de baja frecuencia en conductores son: Pruebas con forma de onda coseno- rectangular. Pruebas con forma de onda senoidal. Pruebas con forma de onda rectangular bipolar. Prueba con regulación alternada de tensiones de paso cd positivos y negativos INFORMACIÓN QUE PROPORCIONA LA PRUEBA FACTOR DE DISIPACIÓN Es la relación de la corriente resistiva entre la corriente puramente capacitiva de un conductor sujeto a una tensión, como se indica en la siguiente fórmula: 27 (4a) Donde: FD Es el factor de disipación. Usualmente expresado en %. Ir Es la corriente resistiva a través del aislamiento, [A] Ic Es la corriente puramente capacitiva, [A] Figura CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN CONDUCTOR Y SU DIAGRAMA VECTORIAL EN CORRIENTE ALTERNA El circuito equivalente del conductor se indica en la figura A, con la conexión en paralelo de su capacitancia pura y la resistencia del dieléctrico. La tensión provoca que se presenten las corrientes capacitiva, resistiva y total cuyo diagrama se representa en B. Debido a que las corrientes capacitiva y resistiva, al sumarse en forma vectorial, dan lugar a la corriente total I, el ángulo que forma ésta con la corriente capacitiva es usualmente designado como δ, en tanto que el ángulo que forma la corriente total con la corriente resistiva, se designa como Φ (complementario a δ). 27 NMX-J ANCE Productos eléctricos-conductores-determinación del factor de disipación, factor de ionización, capacitancia y permitividad en conductores eléctricos aislados- métodos de prueba, Definiciones 105

114 lo tanto: La relación de la corriente, en consecuencia, es igual a la tangente del ángulo δ, por (4b) Prueba de Factor de disipación Se denomina así el ensayo para determinar el ángulo de pérdidas dieléctricas. Este es un factor utilizado para inspeccionar el envejecimiento o deterioro de conductores con dieléctricos extruidos. Existe una correlación entre un incremento del factor de disipación de 0.1 Hz y un nivel de tensión de interrupción del aislamiento que disminuye a frecuencia industrial. El factor de pérdida de 0.1 Hz es definido esencialmente por arborescencias en el aislamiento del conductor. La medida del factor de pérdida con una forma de onda senoidal de 0.1 Hz ofrece la evaluación comparativa del envejecimiento del tipo aislamientos del PE y XLPE. Los resultados de la prueba permiten diferenciar entre aislamientos del conductor: como nuevos, defectuosos, y altamente degradados. El factor de pérdida con una forma de onda senoidal de 0.1 Hz se puede utilizar como prueba de diagnóstico. Los conductores se pueden probar en programas de mantenimiento preventivos y volver al servicio después de probar. La prueba de descargas parciales, se complementa con lo de Tangente Delta (Factor de Disipación). Particularmente aplicada a un sistema de conductores de Media y Alta Tensión, la Tan δ refiere a la calidad y evolución del material instalado (conductor, terminales, empalmes). Las mediciones de Tangente Delta no permiten individualizar el punto de falla, ni logran una separación entre estado de conductores, empalmes o terminales; es por eso que se trata de una medición complementaria a la de Descargas Parciales. Técnicamente, un sistema aislante es construido con materiales de bajas pérdidas, resultando en una pequeña corriente Ir, en fase con la tensión aplicada. Esta corriente puede ser interpretada como un resistor R en paralelo con una capacidad C. La diferencia de fase entre la corriente real I, y la corriente ideal Ic, se describe como el ángulo δ. Dado que: P = Q - tan δ (4c) Las pérdidas son por lo tanto proporcionales a la tan δ, y dan una expresión de la calidad del material aislante. El ángulo δ es descrito como el ángulo de pérdidas, y la tangente δ como el factor de pérdidas. De no contarse con valores previos de tangente delta, que establezcan parámetros iniciales comparativos del conductor analizado, (evolución de fallas), el análisis del resultado será tomado en consideración a las siguientes dos variables: 106

115 Equipo de medición. La forma de onda de tensión aplicada será senoidal simétrica. La medida de la tensión eficaz deberá obtenerse con un error menor que el 4%. Todos los elementos que formen parte del circuito de medida deberán estar exentos de descargas parciales que pudieran interferir en la medida para lo cual los conductores de conexión deberán de estar perfectamente con su pantalla metálica Realización de la prueba. Se determinara el valor de tangente δ a tensión reducida 0,2 U 0 para posteriormente comprobar su variación a diferentes incrementos de tensión hasta el valor 2 U Criterio de aceptación Para conductores de aislamiento seco: El valor de la tan δ a 2 U 0 debe ser < 1,2 x 10 ³ La diferencia de valor de tan δ para 2 U 0 y 1 U 0, debe ser < 0,6 x 10 ³ Si el valor de la tan δ y su evolución en función del nivel de tensión, es significativamente distinta en una fase que en el resto, esto indica un problema en esa fase y se considerará el ensayo no superado. Si el conductor nuevo se encuentra intercalado en uno previamente existente, al ser la tan δ una medida global del conductor, no se considerarán los valores de esta prueba como determinantes a la hora de proceder a la aceptación o no del conductor. Si las pruebas realizadas, superan los valores establecidos en los párrafos anteriores, se procederá a la localización de la falla o fallas y su posterior su reparación, volviendo a realizar un nuevo ensayo con posterioridad a cada una de las reparaciones realizadas Ventajas La prueba es un examen no destructivo de diagnóstico utilizando los niveles de tensión de hasta dos veces la tensión conductor-tierra. Condición del sistema de aislamiento del conductor puede ser calificado como bueno, defectuoso, y muy deteriorado. Sistema de aislamiento del conductor se puede controlar con el tiempo y la historia del sistema de conductor desarrollado. Sustitución del conductor y el rejuvenecimiento, las prioridades y los gastos se pueden planificar. Conjuntos de prueba son transportables y los requisitos de energía son comparables a las fallas en conductores estándar de localización de equipos. Combinada VLF, con factor de disipación y descarga parcial, las capacidades de medición, se utilizan para controlar el factor de disipación y/o la actividad de descargas parciales, durante 15 minutos a 60 minutos y soportar procedimientos de ensayo Desventajas Los datos históricos comparativos de sistemas de conductor deben estar disponibles para la comparación para que la prueba sea más útil. 107

116 La prueba no puede ser utilizada en el conductores con neutros desnudos o conductores con cubiertas semiconductoras a menos que la fuente de alimentación se conecte a tierra a través de diodos. Mediciones periódicas y bases de datos están obligadas a evaluar con precisión el estado de los sistemas de conductor. La técnica mide la condición promedio del aislamiento. Circuitos de conductor con los conductores sanos que tienen accesorios que utilizan materiales de evaluación estructural con características de tensión no lineales pueden exhibir características altamente degradadas. Algunos datos de las pruebas de diagnóstico pueden no ser comparables con los datos de frecuencia de energía. Los conductores deben ser puesto fuera de servicio para la prueba FACTOR DE POTENCIA Es el coseno del ángulo que forma la corriente total con la tensión y se determina mediante la relación de la corriente resistiva entre la corriente total, se indica en la siguiente fórmula: (4d) Donde: FP Es el factor de potencia, expresado en % I Es la corriente total [A] Para valores pequeños de δ, cuando tan δ 0,1, se tiene que: Lo anterior implica que FD = FP. En conductores generalmente FD es menor que 0,1, por lo tanto es muy usual que se le llame factor de potencia, sin embargo la expresión adecuada es factor de disipación 28 Tabla PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LOS AISLAMIENTOS Valor especificado Propiedad XLP EP (4e) Factor de disipación a la tensión nominal de fase a tierra, a 60 Hz y temperatura ambiente, valor máximo en % NMX-J ANCE Productos eléctricos-conductores-determinación del factor de disipación, factor de ionización, capacitancia y permitividad en conductores eléctricos aislados- métodos de prueba, Definiciones 108

117 Aparatos y/o equipo La prueba se realiza por medio de un equipo que genera a una frecuencia de por lo general 0,1 Hz. Típicamente esta unidad comprende una fuente de corriente directa, un circuito desconectador de media tensión, un reactor para la inversión de la polaridad y un capacitor de apoyo para compensar muestras bajo prueba de baja capacitancia. El equipo contiene los medidores y métodos de prueba que registran las corrientes de fuga y permiten obtener los resultados de la prueba. Figura FORMA DE ONDA SENOIDAL DE MUY BAJA FRECUENCIA (0.1 Hz) Preparación y procedimiento Antes de iniciar la prueba de Media Tensión deben llevarse a cabo las siguientes medidas de seguridad: Verificar que las muestras de conductor se encuentren desenergizadas totalmente y que son exactamente las que se quiere probar. Desconectar y realizar conexiones de puesta a tierra todos aquellos equipos que no deben entrar en la prueba, igualmente todas aquellas partes metálicas que se encuentren en las cercanías del conductor y equipos bajo prueba. Desconectar las terminales del conductor bajo prueba en ambos extremos, limpie las superficies aislantes con un paño seco y, si es necesario (en zonas muy contaminadas), aplique grasa de silicona para reducir al mínimo las corrientes de fuga y evitar descargas eléctricas. Todos los extremos de los componentes que están bajo prueba, deben protegerse de contactos accidentales, por medio de barreras y personal que vigile el área de peligro. Verificar que todos los transformadores que se encuentren conectados al alimentador bajo prueba tengan su seccionador radial abierto o en su defecto los fusibles retirados, para impedir que la tensión de prueba llegue a los devanados ya que a través de éstos quedaría el conductor conectado a tierra. 109

118 En caso de que el transformador no tenga seccionador y sus fusibles no sean removidos desde el exterior, deben retirarse las terminales. Verificar que todos los accesorios pre moldeados conectados al conductor bajo prueba se encuentren debidamente puestos a tierra, y que la pantalla del alimentador este debidamente puesta a tierra. Se considera que el conductor de energía y sus accesorios cumplen con la prueba, si soportan la tensión de prueba que se indica en la siguiente tabla , durante el tiempo que se especifica y no se presenta flameo o perforación en el conductor. Tabla NIVELES DE TENSIÓN DE PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA 29 Tensión nominal del conductor de Fase a Fase [kv] Tensión de prueba de instalación de fase a tierra [kv] Tensión de prueba de aceptación en caso de falla de fase a tierra [kv] Tensión de prueba de mantenimiento de fase a tierra [kv] El valor por estándar para la prueba de muy baja frecuencia es 0.1Hz. Un punto importante a considerar es que para conductores muy largos se requiere una frecuencia más baja para el correcto funcionamiento de equipos de prueba debido a las altas capacitancias que presentan. Conexión de un instrumento de prueba con respecto al alimentador de acuerdo con el estándar IEEE El instrumento de prueba debe estar sólidamente conectado a tierra antes de conectar cualquier conductor. La punta de prueba HV fuera se conecta al punto de tierra neutro concéntrico del conductor bajo prueba. La punta de tierra se conecta al aislamiento del conductor bajo prueba y hace contacto con el punto de tierra concéntrico antes mencionado. 29 IEEE Std Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF), 110

119 Figura DIAGRAMA FÍSICO DE PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA Nota: el conductor a tierra debe ser de al menos un tamaño no menor a 2 AWG (34 ) de cobre capaz de conducir la corriente de falla. Sólo después de que el conductor de puesta a tierra está en su lugar, si la punta de prueba se conecta al conductor y la pantalla metálica; la conexión del conductor a tierra ya no se efectúa Parámetros de Prueba de muy baja frecuencia. Durante una prueba de muy baja frecuencia una arborescencia localizada en una falla de aislamiento es forzada a penetrar el aislamiento. El comienzo de una arborescencia y su crecimiento están en función de la amplitud y frecuencia de la señal de prueba. Para una penetración completa de la arborescencia al aislamiento durante la duración de la prueba, se han establecido niveles de tensión y tiempo de duración para las dos señales de prueba más usadas comúnmente como son la forma de onda senoidal y coseno rectangular. Los niveles de tensión (instalación y aceptación) se basan en las prácticas usadas a nivel mundial de entre 2V 0 y 3 V 0, donde V 0 es la tensión nominal para conductores entre 5kV y 35kV. El nivel de tensión para una prueba de mantenimiento es del 80% del nivel de tensión de la prueba de aceptación. Se puede reducir la tensión de prueba otro 20% si se aplican más ciclos de prueba. Las tablas y listan los niveles de tensión para una prueba de aguante de conductores de energía usando formas de onda coseno rectangular y onda senoidal. Para una onda forma de onda senoidal el valor rms es del valor pico si la distorsión es menor del 5%. 30 IEEE std IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF), sección 4.2 Grouding 111

120 Tabla TENSIÓN DE PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA PARA FORMA DE ONDA COSENO RECTANGULAR 31 Clase del conductor fase a fase Instalación** Fase a tierra Aceptación** Fase a tierra Mantenimiento *** Fase a tierra Tensión rms (kv) Tensión rms/vpico Tensión rms/vpico Tensión rms/vpico Notas 1- Para una onda coseno rectangular el valor rms se considera igual al valor pico. 2- Ver notas 2 y 3 debajo de la tabla Tabla TENSIÓN DE PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA PARA FORMA DE ONDA SENOIDAL 32 Clase del conductor fase a fase Instalación** Fase a tierra Aceptación** Fase a tierra Mantenimiento *** Fase a tierra Tensión rms (kv) Tensión rms/vpico Tensión rms/vpico Tensión rms/vpico 5 9 (13) 10 (14) 7 (10) 8 11 (16) 13 (14) 10 (14) (25) 20 (28) 16 (22) (38) 31 (44) 23 (33) (55) 44 (62) 33 (47) Notas Para una onda senoidal de muy baja frecuencia las tensiones están dadas tanto en valores rms y valores pico. Para una onda senoidal el valor rms es del valor pico si la distorsión es menor al 5%. Ver la tabla El tiempo de prueba recomendado varía entre 15 y 60 minutos, aunque los datos sugieren un tiempo de prueba de 30 minutos. El tiempo de prueba actual y tensión pueden ser definidos por el proveedor o usuario y depende de la filosofía de prueba, del conductor, condición de aislamiento, que tan frecuente se realiza la prueba, y el método de prueba seleccionado. Para una tensión de prueba de muy baja frecuencia a 0.1 Hz, la duración de la tensión de mantenimiento sugerido es de 15 minutos (Eager et al. [B7]). 31 IEEE std IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF), sección 4.2 Grouding, VLF test parameters, table 4 32 IEEE std IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF), sección 4.2 Grouding, VLF test parameters, table 5 112

121 CRITERIOS Los organismos como IEEE, EPRI, CEA y otros entes mundiales de ingeniería y normalización, recomiendan para la mayoría de pruebas de mantenimiento a un conductor a 0.1 Hz es aplicar una tensión de 2 a 3 veces la tensión nominal de fase a tierra por más 15 minutos. Variaciones a este criterio se basan en el historial del conductor, lugar instalado, edad del conductor, entre otros factores. Para un conductor de 15 kv, que normalmente tiene una tensión Vo de 7,2 kv a 8 kv, la prueba se realiza a 22 kv, un sistema de 25 kv se prueba a 40 kv. La IEEE recomienda un intervalo de prueba que va de 15 a 60 minutos. Tabla FALLAS DE LOS CONDUCTORES EN LA PRUEBA DE MUY BAJA FRECUENCIA Resultados sobre muestras de conductores XLP % total de las fallas Tiempo (min.) Como resultado del porcentaje de fallas encontrado por la IEEE se recomienda un tiempo para la prueba de 30 minutos por fase. A frecuencias menores a 0.1 Hz, tal como 0.02 Hz, la duración de la prueba es más larga, puesto que menos ciclos ocurren para un periodo de tiempo dado. Por decir, a 0.1 Hz, el periodo de una onda senoidal es de 10 segundos, por lo que cada 5 segundos, se aplica una tensión pico de c.a. a 0.02 Hz, el periodo de una onda senoidal es de50 segundos. Si la duración de la prueba fuera la misma a cada frecuencia, entonces la prueba a0.02 Hz aplicará menos tensión total en un conductor, por lo tanto la duración de la prueba normalmente se extiende Ventajas A 60Hz, un conductor de 1μF tiene una reactancia capacitiva (Xc) de 2,652 Ω, a 22 kv, se requieren 8.3 A de corriente de prueba, con una potencia nominal de prueba de 183 kva. A 0.1 Hz, ese mismo conductor tiene una reactancia capacitiva (Xc) de 1.59MΩ, a 22 kv, se requieren 14mA para probar, con una potencia nominal de prueba de solo 304 VA. Un conductor de 3 km tiene aproximadamente 1 mfd de capacidad. La reactancia capacitiva a 60 Hz es óhms; a 0,1 Hz es 1,6 Mega óhms. Una prueba a 60 Hz c.a. a 53 kv requerirá 20 A para una prueba de kva y un peso del equipo de Kg. El mismo conductor a 0,1 Hz, requerirá solamente 33 ma, ó 1,8 kva y un equipo de 45 Kg. La forma de onda sinusoidal es simétrica con respecto a cualquier carga. Se realiza el mismo esfuerzo eléctrico en conductores, y empalmes. Permite realizar ensayo de Tangente de Delta. Permite realizar ensayo de Descargas parciales. 113

122 El peso de los equipos disminuye dramáticamente, ya que se reduce la frecuencia de trabajo y la corriente de ensayo. Comparados con equipos de 60Hz, se convierten en equipos portables y económicos. PRESUPUESTO Con el fin de justificar la implementación de esta tesis, es necesario considerar las características del proceso de investigación y ejercicio de lo presentado, considerando cada uno de los puntos directos e indirectos para la elaboración de la tesis. Al expresar numéricamente los resultados del proyecto, es necesario realizar un presupuesto, el cual presenta todos los costos asociados al proyecto, es decir, la cantidad desembolsada para realizarlo, siendo la investigación el punto de partida de la tesis. También se analizan los efectos positivos y negativos del proyecto. A manera de resumen, se definen los gastos generados en la realización del proyecto, los cuales, se han divido en gastos de operación, en donde la materia prima, que en este caso es la investigación y recopilación de información, son considerados como costos. Los gastos de administración, son los costos indirectos del proceso de elaboración del proyecto, tales como los salarios de los ingenieros y gastos originados en lo concerniente a papelería, para impresiones de reportes, material de oficina y los costos de servicios básicos que es, luz, teléfono e internet. CONCEPTO A DETALLE CANTIDAD PRECIO POR UNIDAD PRECIO TOTAL ADQUISICIÓN DE NORMAS NMX-J-142-ANCE 1 $2, $2, NMX-J-150-ANCE 1 $6, $6, NMX-J-205-ANCE 1 $ $ NMX-J-444-ANCE 1 $ $ NOM-001-SEDE $ $ IEEE standar $ $ IEEE standar $ $ IEEE standar $ $ IEEE standar $ $ PAPELERIA 1 $ $ SERVICIOS ENERGÍA ELECTRICA P/MES 12 $ $2, RECOPILACIÓN DE INFORMACIÓN INTERNET P/MES 12 $ $2, ANTECEDENTES DE CONDUCTORES 10 $50.00 $ IMPRESIONES DE TRABAJOS 20 $50.00 $1, COPIAS DE INFORMACIÓN 200 $0.50 $ MATERIALES UTILES DE ESCRITORIO 1 $ $ OTROS GASTOS 1 $ $ SUBTOTAL $21, IVA 16% $3, TOTAL $24,

123 CONCEPTO A DETALLE CANTIDAD SALARIO DE INGENIEROS COSTO DE PRUEBAS DESARROLLO DE LAS PRUEBAS PRECIO POR UNIDAD DIAS LABORALES 3 $1, $6, $20, $40, INSPECCIÓN DE 3 $2, $15, INSTALACIÓN VIATICOS LAPEM TRASPORTE 3 $1, $6, HOSPEDAJE 3 $ $4, DESAYUNO 3 $ $1, COMIDA 3 $ $1, CENA 3 $ $1, PRECIO TOTAL TOTAL $75, Costo del proyecto $24, Honorarios $75, Total $ 100, Adicional 30% $30, INVERSIÓN TOTAL DEL PROYECTO $130, El problema en los conductores concierne a todo la instalación eléctrica, puesto que el fin que persigue todo proyecto es obtener mayor rentabilidad, por ello las actividades planeadas deben ser coordinadas y adecuadas para que no se produzcan interrupciones y en todo momento se encaucen las labores hacia la operación óptima del sistema no descuidando la seguridad para el personal y equipos. Todo el proyecto debe ensamblarse perfectamente y llevarse a cabo de acuerdo a lo planificado, contemplando todos los aspectos relacionados con los conductores de energía, eliminando las deficiencias que impidan su desarrollo. 115

124 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Las condiciones de seguridad deben ser confiables, estar bien proyectadas de acuerdo a las necesidades requeridas basadas en los principios de acciones preventivas para eliminar o disminuir los riesgos detectados bajo las cuales se deben realizar los procedimientos de prueba teniendo por objetivo principal garantizar la integridad física del operador establecidas en la NOM-029-STPS-2005 en la sección 8.1 y 9.1, pasando a segundo término el análisis del alimentador, estas medidas de seguridad deben comenzar definiendo en qué condiciones climáticas es posible y en cuales no realizar los ensayos. Se exige que únicamente las pruebas deben ser EJECUTADAS POR PERSONAL CAPACITADO con estudios en el ramo de Ingeniería Eléctrica y no por cualquier persona que potencie riesgos a los equipos utilizados, instalados y al elemento más importante; al personal que labore, este personal debe cumplir con los requisitos que indiquen su capacidad, como el conocimiento de los procedimientos, equipos a utilizar, etc. El equipo de protección personal debe de ser usado de manera adecuada para proteger ante el riesgo de lesiones por descargas eléctricas, radicando su importancia en la acción inmediata de control estableciendo una barrera aislante entre el riesgo y el personal, establecidas en la NOM-017-STPS-2001en la sección 7. La realización de pruebas a conductores de energía en campo es indispensable para apoyar criterios en cuanto al estado de un alimentador y si este se encuentra o no en condiciones para ser puesto en servicio o continuar en operación, las pruebas de puesta en servicio son tan importantes como las de mantenimiento, ya que a partir de estas se lleva un control sobre el comportamiento del aislamiento, confirmando si garantiza o no continuidad en la operación, por lo tanto mantener el sumisito de energía eléctrica. Otro punto importante es que la recopilación de resultados en las pruebas de puesta en servicio y en su caso de mantenimiento permiten analizar de mejor forma la condición en la que está operando el conductor, por lo tanto se recomendación que se tenga informes y resultados de las pruebas que se realicen así como las condiciones bajo las cuales se realizaron conteniendo los valores de las pruebas que en su momento se realicen y las condiciones bajo las cuales se aplicó obteniendo los siguientes datos: Tensión nominal del conductor Tensión máxima de prueba por norma Longitud del circuito Temperatura en el momento de la prueba Tiempo requerido para alcanzar la tensión máxima de prueba Tiempo total de prueba requerido por la norma Corrientes de fuga 116

125 En el caso de conductores antes de ser puestos en servicio: Condiciones de la instalación, Componentes que intervinieron en la prueba tales como empalmes, terminales, aisladores, etc., Condiciones ambientales tales como temperatura y humedad relativa. El hecho de que un conductor soporte un alto nivel de tensión aplicado no significa que el aislamiento se encuentre en buen estado, en estos casos el criterio se profundiza mediante un complemento, el cual es la medición de la corriente de fuga, además, a lo largo del trabajo se encontró que no hay valores estandarizados que decreten un nivel de corriente de fuga permisible o en su caso restrictivo para determinar el estado del aislamiento en un conductor, debido a esto, se propone que se implementen parámetros a partir de los cuales se determinen diagnósticos precisos del tiempo recomendable de operación restante del alimentador en el caso de que soporten el nivel de tensión aplicado pero que revele niveles relativamente altos de corriente de fuga, a través de los cuales se emitan criterios sobre el estado del aislamiento y de este modo su aceptación o rechazo. Las condiciones de operación a las que el alimentador está expuesto debe tener un carácter importante, ya que no se debe ofrecer un criterio simplemente conociendo sus características constructivas, sino analizar las condiciones en las que el conductor está operando, ya que las condiciones ambientales también juegan un papel importante en el nivel de envejecimiento que tiene el conductor y por lo tanto saber cada cuando debe realizarse una prueba, ya que estas condiciones aceleran la degradación del aislamiento y potencializan las fallas por defectos de fabricación. La evolución de la tecnología permite la implementación de nuevas pruebas en campo como un nuevo método para la evaluación de conductores, en las cuales la comparación de la aplicación de alta tensión en CD vs la aplicación de CA a muy baja frecuencia, es que la información que muestra la prueba de muy baja frecuencia es más completa que la de alta tensión con CD y permite emitir un análisis profundo, se plantea que este tipo de prueba deje de ser opcional y se establezca como norma nacional, equiparando el nivel de criterios con respecto a los establecidos internacionalmente. 117

126 Acidular Adiabático Ánodo Bauxita Caliza GLOSARIO Dar propiedades acidas a una sustancia. Transformación termodinámica que un sistema experimenta (ascenso o descenso de una masa de aire que se enfría o se calienta) sin ceder ni absorber calor respectivamente del exterior. Es decir, que no haya intercambio de calor con otros sistemas. Polo o electrodo positivo de cualquier dispositivo eléctrico. Óxido hidratado de aluminio que contiene generalmente cierta cantidad de óxido de hierro y suele ser de color blanquecino, gris o rojizo. Roca formada de carbonato de cal. Capacitancia Es la propiedad de un circuito eléctrico de oponerse al cambio en la magnitud de tensión a través del circuito Cátodo Celulosa Coque Coulomb Detrimento Degenerar Dieléctrico Dúctil Efecto corona Polo o electrodo negativo de cualquier dispositivo eléctrico. Glúcido polisacárido estructural formado por la unión de moléculas de glucosa; es sólido y blanco, se encuentra en los tejidos de las células vegetales, usado especialmente en la industria del papel. Combustible sólido que se obtiene de la destilación destructiva de carbón mineral, especialmente la hulla, en la que se elimina la mayor parte de sus productos volátiles. Unidad de medida derivada del Sistema Internacional de Unidades para la magnitud física de carga eléctrica, su símbolo es C. Daño moral o material. Evolucionar hacia un estado inferior o peor. Sustancia aislante o no conductor de la electricidad, es decir, capaz de mantener un campo eléctrico en estado de equilibrio sin que pase corriente eléctrica por él. Se aplica al metal que puede someterse a grandes deformaciones y estirarse en forma de hilos o alambres sin romperse Ionización del aire alrededor de los conductores de las líneas eléctricas que produce luz en una corona que rodea el conductor. Los campos eléctricos de mayor módulo originados por las líneas eléctricas son los de los puntos más próximos al conductor. Si el módulo del campo es superior a la rigidez dieléctrica del aire, ioniza sus moléculas, que, al volver al estado fundamental, emiten radiación electromagnética visible en parte, sobre todo por la noche. 118

127 Embalaje Escoria Factor de potencia Farad Ferruginoso Fluctuar Galena Gravimetría Impedancia Ionizar Maleable Menoscabo Neopreno Ozono Parafina Empaquetado o colocación de un objeto dentro de una caja para transportarlo con seguridad. Sustancia de desecho que contiene las impurezas de los metales cuando se funden. El valor del ángulo que se forma al representar gráficamente la potencia activa (P) y la potencia aparente (S), es decir, la relación existente entre la potencia real de trabajo y la potencia total consumida por la carga o el consumidor conectado a un circuito eléctrico de corriente alterna. Unidad de capacidad eléctrica del Sistema Internacional de unidades por medio de la cual se mide la capacidad de un conductor o condensador (capacitor) y se define como la elevación potencial de un volt por coulomb Mineral que contiene hierro o en estado metálico o en combinación. Oscilar, variar, cambiar, mudar, alternar. Mineral de color gris azulado y brillo metálico intenso, compuesto de azufre y plomo, cristaliza en el sistema cúbico y es el principal mineral del que se extrae el plomo. Método analítico cuantitativo, es decir, que determina la cantidad de sustancia, midiendo el peso de la misma (por acción de la gravedad). Medida de la oposición que presenta un circuito, o una parte de él, al paso de la corriente eléctrica alterna sinusoidal. La unidad de impedancia es, al igual que la resistencia, el ohmio. La impedancia de un circuito que sólo contenga una resistencia R, es Z = R, pues una resistencia no presenta impedancia a la corriente alterna. Convertir los átomos neutros en átomos cargados eléctricamente. Es un adjetivo que permite calificar a un material al que se le puede dar distintas formas sin quebrarlo o romperlo. Disminución en la cantidad, tamaño, calidad o valor de una cosa. Caucho sintético que tiene como principales características la resistencia a agentes como el ozono, el petróleo y disolventes orgánicos, y al frío. Gas incoloro oxidante cuya molécula está formada por tres átomos de oxigeno y que se produce mediante descargas eléctricas, en las capas bajas y altas de la atmosfera Sustancia sólida, blanca en estado puro, que se funde fácilmente; se obtiene de la destilación de petróleo crudo y se emplea en la fabricación de bujías y velas, en la impermeabilización de papel o madera, en cosmética, etc. 119

128 Polietileno Refinación electrolítica Refinación Resonancia Resquicios Rigidez dieléctrica Sangrado Sobrecorriente Sobretensiones Tensión Termofijos Termoplástico Temple Verbigracia Material plástico producido por polimerización del etileno. Se emplea para la fabricación de bolsas de plástico. Proceso mediante el cual cobre es purificado mediante una reacción electroquímica, que permite separar este metal de sus impurezas. Es el proceso de purificación de una sustancia química obtenida muchas veces a partir de un recurso natural. Es la situación en la que un sistema mecánico, estructural o acústico vibra en respuesta a una fuerza aplicada con la frecuencia natural del sistema o con una frecuencia próxima. Abertura o grieta pequeña y estrecha. El valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material pierde su propiedad aislante y pasa a ser conductor. Es el proceso de sangrar un horno a través del hueco de colada excéntrico ubicado en el fondo del horno. Cualquier corriente eléctrica en exceso del valor nominal de los equipos o de la capacidad de conducción de corriente de un conductor. La sobrecorriente puede ser causada por una sobrecarga (véase definición de sobrecarga ), un circuito corto o una falla a tierra. Cualquier impulso de tensión que supera la magnitud nominal (tensión normal de operación) de un equipo o sistema existente entre fase y tierra o entre fases. Es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. Material que una vez curado (vulcanizado), no se deforma mediante la aplicación de calor. Material que se suaviza con la aplicación de calor y se solidifica al enfriarse, este proceso puede llevarse a cabo varias veces mientras no se excedan los límites del material. Tratamiento térmico que consiste en calentar un material como vidrio, acero, etc. hasta cierta temperatura y enfriarlo luego rápidamente para endurecerlo. Adj. Por ejemplo. 120

129 SÍMBOLOS C grado Celsius F grado Fahrenheit A cal cm f g H Hz I kg km L m mm R s T t tan V W Z Ω ampere caloría centímetro frecuencia gramo hora hertz corriente kilogramo kilometro inductancia metro milímetro resistencia segundo temperatura tiempo tangente volt watt impedancia ohm 121

130 ABREVIATURAS Al 2 O 3 ANCE ANSI ASTM AWG c.a. c.d CFE CP CuSO 4 DGN DMG EMA FCEM f.p. GRS IACS IEC IEEE Óxido de aluminio Asociación de Normalización y Certificación A.C. American National Standards Institute (American National Standards Institute). American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas de Materiales). American Wire Gauge (Calibre Americano de Conductores) Corriente alterna Corriente directa Comisión Federal de Electricidad Polietileno Clorosulfonado Sulfato de Cobre Dirección General de Normas Distancia media geométrica Entidad mexicana de Acreditación Fuerza contra electro motriz. Factor de potencia Government Rubber Styrene (Caucho de Estireno del Gobierno) International Annealed Copper Standard (Norma Internacional de Cobre Recocido). International Electrotechnical Commission (Comisión Electrotécnica Internacional). Institute of Electrical and Electronics Engineers (Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica). ISO International Organization for Standardization (Organización Internacional de Normalización). 122

131 kv LFMN mcm o kcm MW MΩ Na 3 AlF 6 NEC NEMA NMX NOM NOM-EM NRF NYCE PE PROY-NMX PROY-NOM PVC RHH-RHW RMG SO 2 XLP kilovolt Ley Federal de Metrología y Normalización Mil circular mil Megawatt Megaohm Fluoruro doble de aluminio y sodio National Electrical Code (Código Eléctrico Nacional) National Electrical Manufacturers Association (Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos). Norma mexicana Norma oficial mexicana Norma Oficial Mexicana de Emergencia Norma de referencia Normalización y Certificación Electrónica A.C. Polietileno Proyecto Norma mexicana Proyecto Norma oficial mexicana Policloruro de vinilo Aislamiento polímero sintético o de cadena cruzada resistente al calor para lugares secos y mojados - polímero sintético o de cadena cruzada resistente al calor para lugares secos y húmedos. Radio medio geométrico Dióxido de azufre Aislamiento de polietileno de cadena cruzada 123

132 BIBLIOGRAFÍA 1. A. Thue William, ELECTRICAL POWER CABLE ENGINEERING, Washington, D. C. 2. Gers, Juan M. y Holmes, Edward J., PROTECTION OF ELECTRICITY DISTRIBUTION NETWORKS, 2nd edition. Editorial THE INSTITUTION OF ELECTRICAL ENGINEERS. 3. J. Duncan Glover y M, Sarma. SISTEMAS DE POTENCIA, ANÁLISIS Y DISEÑO, 3º Edición, Editorial Thomson, México, págs. 4. Mashikian, M. S., Luther, R., McIver, J. C., Jurcisin Jr., J., and Spencer, P. W., Evaluation of field-aged crosslinked polyethylene cables by partial discharge location, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 9, no. 2, pp , Ramirez C., Samuel, REDES DE DISTRIBUCIÓN DE ENERGÍA. 6. Van Schaik, N., Steennis, E. F., Boone, W., and van Aartrijk, M., Partial discharge diagnostics on very long and branched cable circuits, Nordic Insulation Symposium, Tampere, June 11 13, NOM-001-SEDE-2005, Instalaciones Eléctricas (utilización). 8. NOM-029-STPS-2005, Mantenimiento de las instalaciones eléctricas en los centros de trabajo-condiciones de seguridad. 9. NOM-S-028-SCFI-2000, Guantes de hule para uso eléctrico especificaciones y métodos de prueba. 10. NMX-J-150/2-ANCE-2004 Coordinación de aislamiento - parte 2: guía de aplicación 11. NMX-J Cables de energía con pantalla metálica, aislados con polietileno de cadena cruzada o a base de etileno-propileno para tensiones de 5 kv a 115 kv. 12. NMX-J-205-ANCE-2007 Productos eléctricos-conductores-determinación del factor de disipación, factor de ionización, capacitancia y permitividad en conductores eléctricos aislados- métodos de prueba. 13. NMX-J-294-ANCE-2002 CONDUCTORES RESISTENCIA DE AISLAMIENTO - MÉTODO DE PRUEBA 14. NMX-J-ANCE Productos Electrónicos - Conductores-Pruebas De Alta Tensión Con Corriente Directa En El Campo A Cables De Energía-Método De Prueba 15. IEEE standar Guide for Field Testing and Evaluation of the Insulation of Shielded Power Cable Systems

133 16. IEEE standar Guide for Field Testing of Laminated Dielectric, Shielded Power Cable Systems Rated 5 kv and Above with High Direct Current Voltage. 17. IEEE standar Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF). 18. CONSTITUCÍON POLITICA DE LOS ESTADO UNIDOS MEXICANOS, Editorial SISTA, México D.F Ley de Servicio Público de Energía Eléctrica. 20. Manual Técnico de Cables de Energía-Condumex, archivo electrónico PDF. 21. Manual-Eléctrico-Viakon, archivo electrónico PDF de abril del 2012 a la 18:45 pm. 125

134 ANEXO 1 126

135 A.1. Detección de fallas A.1.1. Introducción Para poder minimizar el trabajo y los tiempos en la localización de fallas, es importante hacerlo de la manera precisa, cuando se conoce la trayectoria de los conductores instalados, así como su longitud sólo es necesario determinar la distancia del extremo de medición a la falla. No obstante, en muchos casos sólo se conoce la ubicación de las terminales del alimentador y no la trayectoria que este sigue. Puesto que hay muchos tipos de conductores, métodos de instalación y condiciones del medio, es difícil que, con un solo tipo de equipo se realice toda clase de localización de fallas. Los tipos más comunes de defectos en conductores son: Ruptura del aislamiento de un conductor, ocasionando que la corriente fluya del conductor a tierra o a la cubierta del conductor. Este caso se denomina falla a tierra. Ruptura del aislamiento entre dos conductores, ocasionando una falla de circuito cortó entre ellos. Disminución de la resistencia de aislamiento de un conductor a tierra o entre conductores, a un valor tal que se puede considerar insuficiente como para tener una operación segura. En este caso se dice que hay una falla por baja resistencia de aislamiento. Ruptura de un conductor o deterioro de una unión, dando lugar a la falta de continuidad de la alimentación. Este caso se denomina falla por conductor o hilo abierto. Figura A DIAGRAMA FÍSICO PRESENTANDO FALLA EN EL AISLAMIENTO 127

136 A.1.2. Problema para la localización de las fallas El problema de localización de fallas consta de tres pasos: A Consolidación de la falla La falla se define de acuerdo con sus parámetros eléctricos, por mediciones tomadas en una o más terminales. Un alimentador con falla puede o no tener el aislamiento quemado, en algunos casos éste puede requerir de grandes niveles de tensión antes de que ocurra una ruptura. Debido a que la mayoría de los métodos y equipos para la localización de fallas requieren una baja resistencia óhmica en el punto de falla, es necesario antes quemar ésta con el equipo adecuado y lograr así que sea franca o de muy baja resistencia. Para reducir la resistencia de falla en un conductor, cuando ésta no es franca, es necesario aplicar una tensión que sea lo suficientemente alta como para formar un arco en la falla y permitir así el paso de la corriente; la energía disponible debe ser lo suficientemente alta como para crear una trayectoria conductora. A Estimación de la distancia a la falla Una vez que la resistencia de la falla se ha reducido a valores mínimos, se procede a usar el método de las terminales, mediante el cual se localiza la aproximación de la falla rápidamente realizando mediciones directas en las terminales del conductor. A Método de las terminales Relación de las resistencias del aislamiento para circuitos abiertos (si el conductor tiene una resistencia uniforme por unidad de longitud). La medición se realiza con un puente de Wheatstone o con un megóhmetro (como se indica en la figura y para falla de una fase a tierra o entre fases respectivamente). Figura A RELACIÓN DE LAS RESISTENCIAS DEL AISLAMIENTO 128

137 Se determina la distancia de la falla de un circuito abierto a una terminal por la relación de la resistencia del aislamiento del conductor abierto a la resistencia del aislamiento de un cable similar de longitud conocida. Siendo circuitos trifásicos, las fallas más comunes se presentan de fase a tierra, por lo que normalmente se tienen dos fases en buen estado. Para la detección de fallas por perdida de aislamiento (baja resistencia de aislamiento) con relación a tierra se utiliza un megóhmetro como se indica en la Figura Figura A DETECCIÓN DE PÉRDIDA DE AISLAMIENTO Si el conductor no tiene falla, tendremos una indicación que nos representa la resistencia de aislamiento del conductor en buen estado, por el contrario si el conductor tiene falla, tendremos una indicación que comparada con la anterior es mucho menor. Para determinar si hay una falla por baja resistencia de aislamiento entre conductores, se utiliza el megóhmetro. Figura A MEDICIÓN DEL NIVEL DE AISLAMIENTO ENTRE CONDUCTORES Si no hay falla entre conductores, tendremos una indicación que representa la resistencia del aislamiento entre los conductores; si hay falla tendremos una indicación que comparada con la anterior será mucho menor. 129

138 La medición se puede hacer desde una o dos terminales y los cálculos se efectúan usando las siguientes fórmulas: Desde una terminal: Desde dos terminales: (Aa) (Ab) Donde: d 1 Distancia del punto de medición a la falla Relación de la resistencia del aislamiento, R 3, del conductor bueno, a R 1, del conductor con falla d 1 +d 2 Longitud del conductor Relación de la resistencia del aislamiento, R 2, de la terminal opuesta a la suma de las resistencias del aislamiento, R 1 +R 2, de ambas terminales. Relación de las capacitancias para circuitos abiertos (si el conductor tiene una capacitancia uniforme por unidad de longitud). Figura A RELACIÓN DE LAS CAPACITANCIAS Desde una terminal Desde dos terminales: (Ac) (Ad) Relación de las caídas de tensión para circuito corto y falla a tierra (si el conductor tiene una resistencia uniforme por unidad de longitud). 130

139 Figura A RELACIÓN DE LAS CAÍDAS DE TENSIÓN Como se indica en la figura , la distancia con respecto a un circuito corto o a una falla a tierra se determina midiendo la caída de tensión a través de los conductores de las terminales cuando se aplica una corriente constante y se conoce la distancia entre las terminales, la corriente constante se aplica de una terminal a un puente hecho en la terminal opuesta (circuito corto), entre el conductor con falla y el conductor en buen estado, y la tensión se mide con un vóltmetro. Para calcular la distancia al lugar donde se encuentra la falla se usa la siguiente formula: Cortos: Donde: d 1 = distancia a la falla Relación de la caída de tensión entre los conductores a la terminal cercana, a la (Ae) suma de las caídas de tensión, V 1 +V 2, entre los conductores de ambas terminales. d 1 +d 2 = distancia entre las terminales Tierras: a) (Af) Donde: d 1 = distancia a la falla Relación de la caída de tensión entre el conductor y tierra de una terminal a la suma de las caídas de tensión, V 3 +V 4, de ambas terminales. d 1 +d 2 = distancia entre las terminales bueno Donde: (Ag) Relación de la caída de tensión V 3, a tierra, a la caída de tensión, V 5, al conductor 131

140 Diferencia de onda estacionaria para circuitos abiertos, cortos y a tierra Figura A DIFERENCIA DE ONDA ESTACIONARIA Como se muestra en la figura A , es posible determinar la distancia a una falla por circuito abierto, corto o a tierra, desde una terminal, por la medición de la frecuencia a la cual ocurre la resonancia en el conductor cuando éste se excita por onda senoidales a alta frecuencia. La fuente es un oscilador con límites de onda variable y el detector es un vóltmetro, teniendo una respuesta correspondiente a la frecuencia, Este método se basa en que se crean ondas estacionarias por reflexión en cualquier discontinuidad en la impedancia de un conductor, y en que se presenta una condición de resonancia cuando la distancia a la falla es un múltiplo exacto de la longitud de onda media de la frecuencia aplicada; esto es: (Ah) Donde d 1 = distancia a la falla P = velocidad de propagación Δf = diferencia entre dos frecuencias resonantes sucesivas 132

141 Figura A RADAR DE LOCALIZACIÓN DE FALLAS Figura A PANTALLA DEL RADAR Se puede determinar la distancia a cualquier clase de falla, previamente definida, por la medición del tiempo requerido para que se transmita un pulso emitido, en un incremento de tiempo, desde la terminal cercana hasta que sea reflejado por aquellas fallas que puedan existir. En la figura A , se muestra la fuente, constituida por un generador de pulsos ajustables; el tiempo de reflexión se mide en un osciloscopio, teniendo un tiempo base adecuado en el cual se observan tanto el pulso de la terminal de entrada como el de la falla. Este método se conoce como radar, tiempo de reflexión de pulsos, pulso eco o reflectómetro del dominio de tiempos, y depende de que toda o parte de la energía del pulso incidente sea reflejada por cualquier discontinuidad en la impedancia característica del alimentador y que la distancia a la falla sea proporcional al tiempo de reflexión. 133

142 La fórmula siguiente sirve para calcular la distancia del punto de medición a la falla. (Ai) Donde: t 1 = tiempo de reflexión P = velocidad de propagación Figura A RADAR A Localización del lugar de la falla Se logra por medio de los métodos rastreadores, usando uno o más detectores. En instalaciones en ductos, una falla se considera localizada cuando se aísla entre dos puntos accesibles, donde el alimentador puede ser remplazado. En otras instalaciones, la falla se considera localizada cuando se conoce su posición precisa y puede ser expuesta para su reparación. A Métodos rastreadores Métodos rastreadores con c.a. Figura A MÉTODO RASTREADOR CON C.A. Existen muchas clases de equipos rastreadores, particularmente para alimentadores sin pantallas. Esto se hace a una frecuencia de corriente alterna en los límites bajos de audio, y se transmite desde una terminal, a lo largo del alimentador, hasta que se alcanza la falla en un punto donde la corriente sigue la trayectoria de retorno, dando lugar a un cambio en el nivel de la señal aplicada, en la dirección, o en ambos, dependiendo de la instalación. El cambio puede ser detectado por uno o dos efectos. Se genera un campo electromagnético alrededor del eje 134

143 del alimentador, el cual es indicado por el nivel de audio o por un medidor de deflexión. El otro detecta el gradiente de tensión por medio de pruebas en la trayectoria de retorno de tierra y se indica a través de un medidor de deflexión. También se utiliza la señal de rastreo de c.a. para localizar la trayectoria exacta de alimentadores directamente enterrados. Métodos de rastreo con c.d. Figura A MEDIDOR DE RASTREO CON C.D. Hay otras clases de señal de rastreo, con corriente directa, las cuales se utilizan en varias formas dependiendo del tipo de instalación. Hay fuentes de c.d. de baja y alta tensión que generan tensiones continua o periódicamente, de acuerdo con su diseño particular; y su operación es similar a la de los métodos rastreadores de c.a., con la ventaja de que pueden indicar tanto la dirección de la señal como su magnitud. Métodos de impulsos Este método, debido a su precisión, ha sido usado con amplitud, ya que se aplica en cualquier tipo de conductores, con o sin pantalla, y en todo tipo de instalación. Eléctricamente, todas las fallas se pueden representar por una capacitancia en paralelo con una resistencia. Figura A CIRCUITO ELÉCTRICO EQUIVALENTE DE UNA FALLA EN UN ALIMENTADOR AISLADO Aunque el circuito eléctrico es sencillo, las variaciones en las condiciones de las dos trayectorias pueden cubrir un intervalo extremadamente amplio, con la resistencia variando desde un valor muy pequeño hasta valores de mega óhms, y la tensión de ruptura desde cero hasta varios miles de volts. En el método de impulsos para la localización de fallas se carga un capacitor o grupo de capacitores a través de una fuente rectificadora de alta tensión, a una tensión apropiada, y a 135

144 continuación se descarga a través del alimentador bajo prueba. La onda de impulso que se produce recorre a lo largo del alimentador hasta que llega a la falla. Esta operación se repite automáticamente por el generador de impulsos hasta que se localiza la falla. Cuando la onda de impulso llega a la falla puede disiparse por sí misma, ya sea a través de la trayectoria de la resistencia o mediante formación de un arco por la capacitancia. En todo caso, libera su energía a tierra, proporcionando una corriente o un sonido que se puede detectar. Si la energía sólo pasa a través de la trayectoria de la resistencia no se producirá arco y la detección debe ser de forma electromagnética. Si la resistencia de la falla es muy alta, y la tensión de l a onda es suficiente, se formará un arco en la capacitancia, y el dispositivo detector puede ser el tipo electromagnético. Es importante recordar que la resistencia de la falla puede ser infinitamente alta, pero se puede localizar por el método de impulsos, siempre y cuando el valor pico de la onda de tensión y el tiempo de duración sean suficientes como para provocar el arco. Figura A MÉTODO DE IMPULSOS Básicamente el arco queda determinado por dos cosas: la naturaleza de la falla, y la magnitud y forma de onda de tensión. Esta última se determina por la selección del generador de impulsos. Si el alimentador está al descubierto, las fallas pueden localizarse por el sonido de la descarga o por el destello. Sin embargo, si esta directamente enterrado en ductos, o cuando las cubiertas no han sido dañadas, se requiere de un detector. El tipo de detector que se emplea consta de una bobina captadora electromagnética. La corriente de impulso en el alimentador induce una tensión en la bobina captadora del detector, esta tensión carga una serie de capacitores en proporción a la carga reflejada por la falla. La serie de capacitores se carga con rapidez, pero la descarga es lenta; esta característica proporciona buenas peculiaridades balísticas al medidor electrónico, el cual responde con una pulsación lenta legible al impulso muy rápido recogido por la bobina captadora. 136

145 Figura A GENERADOR DE IMPULSOS DE ALTA TENSIÓN Con el detector acústico, el operador recibe señales de tres fuentes: dos captadores de tipo sísmico que responden a la energía acústica emitida por la formación del arco, y la tercera es una bobina captadora magnética. El captador magnético proporciona una inducción de la onda de impulso en el alimentador y alerta al operario para que escuche la pulsación acústica y, de esta forma, se aproximará hasta el lugar exacto de la falla, donde la intensidad del sonido estará a su máximo. Figura A DETECTOR ACÚSTICO 137

146 ANEXO 2 138

147 A.2. GRÁFICAS DE SOBRECARGAS EN ALIMENTADORES Tiempo Figura A2. 1SOBRECARGAS EN ALIMENTADORES UNIPOLARES CON AISLAMIENTO DE PAPEL IMPREGNADO, HASTA 20 KV, ENTERRADOS DIRECTAMENTE 139

148 Tiempo Figura A2. 2SOBRECARGAS EN ALIMENTADORES UNIPOLARES CON AISLAMIENTO DE PAPEL IMPREGNADO, HASTA 20 KV, EN AIRE 140

149 Tiempo Figura A2. 3SOBRECARGA EN ALIMENTADORES TRIFÁSICOS CON AISLAMIENTO DE PAPEL IMPREGNADO, HASTA 20 KV, ENTERRADO DIRECTAMENTE 141

150 Figura A2. 4SOBRECARGAS EN ALIMENTADORES TRIFÁSICOS CON AISLAMIENTO DE PAPEL IMPREGNADO, HASTA 20 KV, EN AIRE 142

151 Figura A2. 5SOBRECARGAS EN ALIMENTADORES UNIPOLARES CON AISLAMIENTO DE HULE O TERMOPLÁSTICO 75 ºC, HASTA 15 KV, EN AIRE 143

152 Figura A2. 6CORRIENTES DE CIRCUITO CORTO PERMISIBLES PARA ALIMENTADORES AISLADOS CON CONDUCTOR DE COBRE Conductor de cobre aislamiento de papel Curvas basadas sobre la siguiente fórmula: Dónde: [ ] [ ] (Aj) I= Corriente de circuito corto en amperes. A= Área del conductor en circular mils. t = Tiempo de duración del circuito corto en segundos. T 1 = Temperatura máxima de operación: 75 C. T 2 = Temperatura máxima de circuito corto: 200 C 144

153 Figura A2.1. CORRIENTES DE CIRCUITO CORTO PERMISIBLES PARA ALIMENTADORES AISLADOS CON CONDUCTOR DE COBRE. Conductor de cobre aislamiento termoplástico Curvas basadas sobre la siguiente fórmula: Dónde: [ ] [ ] (Ak) I= Corriente de circuito corto en amperes. A= Área del conductor en circular mils. t = Tiempo de duración del circuito corto en segundos. T 1 = Temperatura máxima de operación: 75 C. T 2 = Temperatura máxima de circuito corto: 200 C 145