Apendice 1 al tema: LÍNEA ELÉCTRICA DE DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN TIPO COMPACTA PROTEGIDA - URBANA / RURAL RECOPILACIÓN Ing. Omar José Grosso

ARTICULO PROVEEDOR

Por Joseph W. Mc Auliffe y Brian J. Trager de HENDRIX WIRE & CABLE INC

Las empresas de distribución de energía, en un esfuerzo por mejorar el nivel de calidad de servicio y confiabilidad en el suministro de energía eléctrica, han investigado muchos tipos constructivos diferentes para líneas aéreas de media tensión, provenientes de todo el mundo. Uno de esos tipos constructivos ha sido usado en los Estados Unidos por más de 40 años: es el Sistema "HENDRIX" de Cable Aéreo con Espaciadores (SCAE).

Este trabajo describe los conceptos básicos, historia y ventajas comparativas con otros sistemas de línea aérea, así como aspectos de los componentes individuales del sistema, incluyendo consideraciones de diseño.

El SCAE puede describirse como una concepción altamente confiable para distribución de energía eléctrica, consistente en conductores con una gruesa capa de aislación, sin pantalla electrostática, sostenidos por una combinación de hilo portante/conductor neutro de alta resistencia mecánica, cuya separación se mantiene con espaciadores aislantes distanciados unos 9,00 metros entre ellos. La combinación de la alta resistencia mecánica del conductor portante y el diseño coordinado de la aislación de la cubierta de los conductores de fase, aisladores soporte y espaciadores, permiten una proximidad de los conductores energizados, al mismo tiempo que se mantiene un alto nivel de confiabilidad.

La resistencia y la durabilidad del sistema permiten mantener el servicio eléctrico durante condiciones adversas tales como caída de árboles o ramas, vientos fuertes y postes rotos. La compacticidad también reduce significativamente la necesidad de podas, tanto inicialmente, durante la construcción de la línea, como más tarde, para mantener la confiabilidad del sistema.

Hacia fines de la década del 40, las empresas de distribución en los Estados Unidos experimentaron el comienzo de un rápido crecimiento en el número de usuarios de energía eléctrica. Este crecimiento de la demanda provocó la expansión de los sistemas de distribución, que se llevó a cabo en gran parte mediante el uso de conductores aéreos soportados por postes y crucetas de madera.

A medida que los sistemas de distribución crecieron en complejidad, la confiabilidad del servicio se tornó una preocupación mayor para los ingenieros de distribución. La mayoría de los problemas de confiabilidad que experimentaron las empresas estuvieron directamente relacionados con tormentas, árboles y rayos.

Las opciones disponibles para la construcción de líneas aéreas eran, en ese tiempo, las siguientes:

1) Conductores desnudos.

2) Conductores cubiertos con pared protectora delgada.

3) Conductores con aislación completa y blindaje, atados a cables portantes (pre-ensamblados).

Cada uno de estos sistemas tiene ventajas e inconvenientes relativos a costo, confiabilidad, duración y versatilidad cuando se usan para instalaciones aéreas. El concepto de SCAE fue concebido y desarrollado para incorporar la mayoría de las ventajas de cada uno de los sistemas mencionados más arriba, y al mismo tiempo eliminar o reducir drásticamente las desventajas inherentes a cada sistema. Estas ventajas e inconvenientes serán descriptos más detalladamente cuando discutamos sus características operativas. La región noreste de los Estados Unidos era el área que sufría los mayores problemas relativos a confiabilidad. El rápido crecimiento de los sistemas de energía en áreas donde los árboles cubrían del 60 al 80 por ciento de las zonas de servicio, sumados a la formación de hielo severa, tormentas de nieve y viento, hicieron que la confiabilidad de los sistemas eléctricos fuera muy reducida.

Estos problemas, que no son diferentes de los de otras áreas del mundo en una forma u otra, hicieron nacer el SCAE. El sistema original fue un diseño para 5 kV que fue rápidamente seguido por otro de Clase 15 kV. A medida que las tensiones de los sistemas de distribución fueron en aumento, se desarrollaron SCAE para 25, 35 y 46 kV. La confiabilidad fue tradicionalmente la razón principal para el uso del Cable Aéreo con Espaciadores. Adicionalmente a la confiabilidad, aparecieron luego otras ventajas con el desarrollo del concepto.

Las ventajas más comúnmente mencionadas son:

El SCAE utiliza un cable de alta resistencia mecánica como soporte de los conductores. El cable portante consiste en un conductor Alumoweld (núcleos individuales de acero con recubrimiento de aluminio) o un conductor compuesto de Alumoweld y aluminio. El cable portante proporciona la resistencia física para soportar el sistema (tanto bajo condiciones normales como adversas) que se encuentran en la distribución aérea.

Hay 3 áreas principales en las que el cable portante interviene en la integridad eléctrica y mecánica de todo el sistema. Estas áreas son:

Un aspecto importante para asegurar la protección pararrayos es prever adecuadas y frecuentes puestas a tierra del cable portante. Las recomendaciones normales para puestas a tierra son como minimo una puesta a tierra cada 150 metros con una resistencia máxima de tierra de 25 ohms. Una puesta a tierra apropiada es esencial para el funcionamiento confiable a largo término para el SCAE.

Los conductores normalizados consisten en cuerdas compactas de aluminio grado eléctrico 1350. El uso de esta configuración del conductor proporciona la mejor relación de capacidad de conducción de corriente/peso que es siempre importante en el diseño de sistemas aéreos. Dado que el cable portante da el soporte mecánico al sistema, no hace falta recurrir al uso de conductores de mayor resistencia mecánica como el aluminio acero o la aleación de aluminio. La formación en cuerda compacta (sectorial) reduce el diámetro externo del conductor del 8 al 10 por ciento comparado con la formación normal redonda. Esta reducción en el diámetro del conductor reduce las cargas de origen climático sobre el mismo (viento o hielo) y también reduce el peso y volumen de la cubierta aislante, lo que a su vez reduce el peso del sistema y el costo del cable. Por otra parte, la cubierta aislante se usa para proteger al sistema contra contactos intermitentes a tierra que pueden causarse con el toque de ramas de árboles, caída de árboles u otros contactos externos a tierra.

El uso de una construcción de cable sin blindaje facilita la operación y conexión al sistema. De forma distinta a los cables con blindaje electrostático, los cables sin blindaje pueden derivarse para conectar cargas y terminarse en retenciones sin necesidad de usar accesorios para alivio de gradientes eléctricos, como los conos deflectores que se usan en empalmes y terminales de cables blindados. Esto, de hecho, también permite la conexión directa de la carga a la línea principal con herramientas simples de trabajo con tensión, sin necesidad de desenergización.

Asimismo, como no existe blindaje sobre estos cables, habrá una corriente de carga sobre la superficie externa de la cubierta.

La magnitud que aparece sobre la cubierta está directamente relacionada con: 1) El espesor de la cubierta,

2) La constante dieléctrica del material aislante,

3) La tensión del sistema.

El funcionamiento confiable a largo plazo de un SCAE depende de la limitación de la magnitud de la corriente de carga disponible en la superficie del cable, y también de la descarga de esa corriente si se establece un contacto a tierra sobre la superficie del cable.

La construcción típica de la cobertura utilizada en los Estados Unidos para estos cables consiste en la combinación de dos materiales aislantes cuyos espesores relativos dependen de la tensión de operación del sistema.

La capa interna utiliza polietileno natural de alto peso molecular, sin cargas. Este material provee características eléctricas superiores comparado con otros polietilenos similares, pero con cargas.

La capa externa consiste en polietileno de alta densidad y de alta resistencia al "tracking". La resistencia a la abrasión de este material otorga la protección física necesaria para los roces contra ramas de árbol u otros contactos mecánicos. La formación de "tracking" o erosión en la superficie del cable durante los contactos a tierra se controla mediante la resistencia al "tracking" del material de la capa externa y con la limitación de la corriente de carga disponible.

Los sistemas de cable que trabajan a 35 kV y frecuentemente los que trabajan a 15 kV incorporan una capa semiconductora extruida directamente sobre el conductor desnudo y firmemente adherida a la capa aisladora interna. Esta capa semiconductora mejora el comportamiento a impulso y elimina puntos de alta concentración interna de campo eléctrico, que pueden causar descargas eléctricas y erosión de la cubierta del cable durante contactos a tierra.

Los espaciadores están suspendidos desde el cable portante y sostienen a los conductores de fase a intervalos de aproximadamente 9,00 metros entre sí. Se utilizan aisladores a perno rígido como soporte en desvíos angulares mayores a 6Þ medidos desde la tangente. En la fabricación de los espaciadores y los aisladores se utiliza polietileno de alta densidad resistente al "tracking" con la misma constante dieléctrica que la cobertura del cable. Con cables que no tienen blindaje electrostático externo, los espaciadores y aisladores son una parte integrante de la aislación del sistema. Los materiales de espaciadores, aisladores y cubierta de cable están hermanados para asegurar una distribución de tensiones adecuada entre todos los componentes del sistema. Asimismo, tanto los aisladores como los espaciadores se diseñan para obtener una larga distancia de pérdidas, de forma que se minimice la corriente de descarga causada por la contaminación ambiental en época de tiempo húmedo.

La experiencia ha demostrado que para condiciones normales de contaminación, la combinación equilibrada de espesor de cubiertas, material de cubierta y espaciador/aislador con distancias de pérdidas adecuadas, proporcionan un control excelente del flujo de la corriente de pérdidas.

Los herrajes de soporte se diseñan específicamente para dar apoyo adecuado al SCAE en todos los soportes angulares, de alineación y retención. También para facilitar la instalación del cable portante y los conductores mediante el uso de dispositivos especiales.

Los criterios de diseño apropiados son un factor crítico para la operación confiable de un SCAE. El distanciamiento reducido entre conductores trae aparejadas las ventajas ya enumeradas pero también la posibilidad potencial de perforación de la aislación y descargas eléctricas causadas por tensiones de impulso que aparecen frecuentemente en todos los sistemas de distribución. Estas condiciones pueden resultar, si no se han cuidado las características de diseño, en daños al conductor y quemaduras de la aislación causadas por la concentración de energía en los puntos de descarga.

Las características de diseño del Sistema HENDRIX se han desarrollado a través de 40 años de experiencia operativa.

Las áreas específicas a cuidar cuando se diseñan sistemas de cable aéreo con espaciadores son:

El criterio de diseño por corriente de pérdidas se desarrolló limitando la corriente de carga disponible al nivel de 350 microamperes para la clase 15 kV. Este nivel de corriente cumplió exitosamente el objetivo de limitar el "tracking" y la erosión de la cubierta del cable aun bajo contacto a tierra permanente durante períodos prolongados. Los sistemas que trabajan a mayores tensiones que los de clase 15 kV poseen mayores niveles de corriente. A esos niveles de corriente se llegó después de evaluar el costo del cable, la carga física sobre las estructuras soporte y los niveles necesarios de tensión de impulso soportada para obtener una operación confiable. Estas consideraciones implican que se deben evitar contactos prolongados con ramas de árbol u otros objetos a tierra. Son tolerables los contactos intermitentes pero se deben tomar precauciones para evitar contactos prolongados.

También hay que asegurar una adecuada protección de pararrayos y un apropiado nivel de impulso soportado para el sistema. La perforación de la cubierta por impulso, más los daños asociados sobre el conductor metálico constituyen las áreas más comunes de aparición de problemas sobre estos sistemas en las empresas de distribución. La tensión soportada a impulso puede afectarse en gran medida por:

El Sistema de Cable Aéreo con Espaciadores ha estado en uso por las empresas de distribución de los Estados Unidos y otros países del mundo desde 1952. La experiencia operativa ha sido excelente cuando se utilizaron componentes adecuados y se aplicaron descargadores de protección.

Las tasas de salida fuera de servicio de los Sistemas de Cable Aéreo con Espaciadores no han sido registradas sistemáticamente por las distribuidoras, pero las entrevistas mantenidas con ellas indican que, aun sin estadísticas fehacientes, no caben dudas de que el SCAE aventaja a la construcción convencional en conductores desnudos. La mayoría de las salidas de servicio con este sistema de cable han sido provocadas por cargas mecánicas extremadamente grandes, muy en exceso de las que el diseño del sistema podía soportar (como por ejemplo, caída de árboles de gran diámetro).

La experiencia también muestra que un diseño apropiado del cable y de la protección del sistema incide drásticamente en el comportamiento en servicio. La distancia entre puestas a tierra y la resistencia eléctrica de las mismas, incide mucho en el comportamiento ante caída de rayos, siendo la distancia más importante que el valor individual de la resistencia de un electrodo cualquiera.

Los SCAE se usan para resolver problemas de confiabilidad, espacio, estética o costos asociados con otros tipos constructivos de líneas. Algunas áreas citadas por las distribuidoras para usar exitosamente este sistema son:

1) Áreas con problemas de confiabilidad como:

2) Aplicaciones en espacios reducidos como:

Las empresas de distribución en todas partes del mundo experimentan situaciones que no pueden ser resueltas en forma confiable y/o económica por la construcción tradicional de línea aérea desnuda. El uso del concepto SCAE ha posibilitado resolver muchos problemas asociados con la construcción de líneas aéreas que sufren las distribuidoras de energía.

Mediante el uso de combinaciones de tecnologías existentes y emergentes se pueden solucionar la mayoría de los problemas que afectan a un servicio eléctrico confiable y económico para los clientes. El SCAE es una de las tecnologías existentes que le ha dado a las distribuidoras una opción para solucionar problemas que de otra forma requerirían compromisos en la confiabilidad del servicio, flexibilidad del sistema y/o costo total.

Los aspectos ambientales que afectan a los sistemas eléctricos de las distribuidoras varían de región a región a través de todo el mundo. Sin embargo, las características básicas de operación de los sistemas son muy similares.

Se puede ganar mucha información valiosa desde la experiencia de otras distribuidoras, y esta información puede eliminar costosas actividades de desarrollo y, lo que aun es más importante, esta información sobre experiencias de primera mano ayudan para la implementación por "vías aceitadas" de los nuevos conceptos, sin los normales problemas que surgen en la puesta en marcha de nuevos sistemas de construcción con los que el personal no está familiarizado.