Apendice 2 al tema: LÍNEA ELÉCTRICA DE DISTRIBUCIÓN EN MEDIA TENSIÓN TIPO COMPACTA PROTEGIDA - URBANA / RURAL RECOPILACIÓN Ing. Omar José Grosso

ARTICULO PROVEEDOR PRESENTADO EN IEEE

SISTEMA HENDRIX DE LÍNEASCOMPACTAS PROTEGIDAS: Contacto con Ramas

Carl C. Landinger; Miembro Senior, IEEE; Hendrix Wire & Cable

Resumen: La alta confiabilidad de servicio de los sistemas de línea aérea de cable con espaciadores, usados en áreas urbanas congestionadas y muy arboladas, es una característica indiscutida y probada empíricamente. Las Cooperativas Eléctricas que tienen porciones de sus sistemas incluídos en tales zonas, tanto por expansiones del área de servicio como por desarrollos en la misma, debieran prepararse a usar sistemas de cables cubiertos para obtener el alto grado de confiabilidad demandado por la clientela actual. Aún las Cooperativas que permanecen esencialmente rurales al día de hoy están sujetas a desarrollos exclusivos, tales como zonas habitacionales en la ribera de lagos, que demandan un alto nivel de confiabilidad de servicio y al mismo tiempo un mínimo impacto ambiental derivado de poda y tala masiva de árboles. Este trabajo describe los principios básicos que otorgan confiabilidad superior a los sistemas de cable con espaciadores, y da ejemplos de aplicación donde se usan para incrementar la calidad y confiabilidad del servicio. Este aumento de confiabilidad sobre la que ofrecen las líneas desnudas pueden reducir simultáneamente el costo de utilización y el impacto sobre el ambiente local.

I. INTRODUCCIÓN

La historia pasada de los sistemas eléctricos rurales podría caracterizarse mayoritariamente como formada por líneas aéreas sirviendo a cargas rurales en áreas no congestionadas. La poda de árboles y los derechos de servidumbre no imponían preocupaciones mayores, y las cargas involucradas no eran, por lo general, afectadas por salidas de servicio momentáneas. La coordinación más usada comunmente en los sistemas consistía en reconectadores ajustados para 2 disparos instantáneos seguidos por 2 disparos retardados antes del bloqueo. Esto se hacía para permitir que las ramas de árbol u otros elementos se quemaran o se cayeran de los conductores desnudos entre los disparos, liberando el cortocircuito y evitando una salida de servicio prolongada. El incremento del uso de cables subterráneos resultó en sistemas de línea aérea mixta con sectores incorporados en cable subterráneo, coordinados como si fueran sistemas de línea aérea pura.

Ahora muchas Cooperativas Eléctricas se encuentran en partes de sus redes con zonas urbanas, tanto por crecimiento de áreas urbanas adyacentes, como por compra de sistemas que pertenecieron a Municipios. Los lagos y lagunas, y otras áreas recreacionales, cuyo valor depende en parte del mantenimiento de las condiciones prístinas de su entorno, también son frecuentes. Además, ha crecido el énfasis sobre la protección de la vida salvaje.

En resumen, muchas Cooperativas se ven frente a congestión de redes, y a dificultades para obtener permisos de paso y de poda de árboles, como jamás antes habían tenido las Cooperativas Rurales.

Complicando las cosas, las cargas modernas tienen sensibilidad incrementada con respecto a salidas de servicio momentáneas. Esto puede hacer que los sistemas tradicionales de coordinación resulten inaceptables, si las Cooperativas Rurales piensan atraer y mantener a aquellos usuarios que necesiten un mayor nivel de calidad y confiabilidad.

Los sistemas de cable con espaciadores ofrecen una solución a los problemas de congestión, de servidumbres de paso, y de poda reducida, brindando al mismo tiempo un nivel mucho más alto de calidad y confiabilidad de servicio. Existen sistemas de cable con espaciadores, correctamente diseñados y mantenidos, que están en servicio desde hace más de 45 años. Su uso en sistemas eléctricos rurales ofrece condiciones cuyos requisitos no son iguales que los de los sistemas urbanos. Las Cooperativas Rurales pueden estar seguras que durante el paso de tormentas, los circuitos de cable con espaciadores representan las porciones más seguras de todo su sistema, adecuados para soportar todos los eventos, salvo los más catastróficos. Además, después de la tormenta, el circuito de cable con espaciadores debe ser capaz de funcionar por largos períodos de tiempo (semanas o meses) con basuras, hielo y ramas de árboles haciendo puente entre las fases y el neutro, hasta que por las operaciones normales de mantenimiento de línea se descubre la necesidad de hacer una limpieza. Y lo más importante: el circuito de cable con espaciadores debe mantener la calidad y confiabilidad del servicio a través de todo el período considerado.

II. DESCRIPCIÓN

El sistema de cable aéreo con espaciadores consiste en 1 a 3 conductores de fase, que están sustancialmente cubiertos con capas de material aislante extruído y una capa de blindaje semiconductor sobre el conductor, colocados sobre espaciadores de polietileno de alta densidad compatible con la cubierta de los cables, a intervalos de 30 pies (9 m) y suspendidos de un cable portante de alta resistencia mecánica, que actúa como el miembro resistente del conjunto, como neutro en sistemas en estrella con neutro a tierra, y también como hilo de guardia para protección contra descargas atmosféricas [1].

La figura 1 muestra la suspension de la linea y una derivacion con detalles, la figura 2 representa un tramo recto de la línea.

La cubierta de los cables reduce el flujo de corriente a microamperes o miliamperes en el caso que existan puentes de contacto entre fases o entre fase y neutro, ya sean producidos por hielo, ramas de árboles, basura, etc. De esta forma, los fusibles, reconectadores e interruptores no resultan afectados, con lo que no se deteriora ni la calidad ni la confiabilidad del servicio [2].

Por supuesto, el flujo de corriente de microamperes o miliamperes en la superficie de la cubierta resulta en erosión ("tracking") y no debe permitirse su permanencia indefinida, ya que la lenta degradación resultante conducirá finalmente a una falla [5][6][7]. El escenario más probable será que una sobretensión producida por una descarga atmosférica encontrará al "punto débil" causando la perforación de la cubierta y la consiguiente quemadura del conductor. Con un mantenimiento razonable (podas periódicas y limpieza de la zona de línea) y con descargadores instalados adecuadamente, esta posibilidad se reduce a unos pocos eventos aislados e infrecuentes.

Prácticamente no existe límite para la resistencia mecánica del cable portante utilizado para soportar al sistema, haciendo posible la construcción de vanos largos para el cruce de ríos, arroyos, terrenos desnivelados, colocación del sistema bajo líneas de alta tensión utilizando sus soportes sin agregar postación, y manteniendo siempre constante la distancia entre fases. En la mayoría de estas situaciones, la única limitación resulta impuesta por la resistencia mecánica de las estructuras [1].

Se dispone de cables portantes standard con capacidad de corriente de neutro equivalentes a la de un conductor de aluminio de 70 mm2, y se puede instalar otro conductor neutro adicional para suplementar la capacidad de corriente del portante en caso de necesidad.

Por último, es preferible poner a tierra el portante en todos los postes, y si esto no es posible a no más de 150 metros de distancia entre tierras, o entre extremos de un vano largo. Así se reduce la probabilidad de fallas por efecto de rayos, debido a la incidencia de descargas directas de alta intensidad sobre el portante.

Las derivaciones pueden cubrirse o dejarse abiertas. Si se dejan abiertas, se instala una sección de tubo protector sobre el cable portante, que se extienda aproximadamente 45 cm a cada lado de la derivación. En el caso de derivaciones trifásicas, las derivaciones de cada fase se escalonan a 45 cm de distancia entre sí a lo largo de la línea, y el tubo protector se extiende desde 45 cm antes de la derivación primera hasta 45 cm después de la derivación última, en forma continua.

El uso de conductores de derivación protegidos y capuchones guardavida salvaje sobre los aisladores de los equipos representa una solución de instalación casi "a prueba de vida salvaje", protegiendo tanto a los animales (incluso los rapaces) como a la línea por salidas fuera de servicio debidos a contactos con animales.

En resumen, las oportunidades para resolución de problemas que se ofrecen a las Cooperativas Eléctricas Rurales por el uso del cable con espaciadores incluyen:

Muchas de éstas representan oportunidades para resolución de problemas de las Cooperativas Eléctricas Rurales, pero únicamente si podemos demostrar la capacidad de satisfacer las necesidades específicas de los sistemas rurales.

III. DEMOSTRACIÓN DE LA CAPACIDAD DE SATISFACER LAS NECESIDADES ESPECÍFICAS DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS RURALES

A. El blindaje del conductor aumenta la capacidad de soportar tensión (y prolonga la vida útil) del cable:

La utilidad del blindaje del conductor para reducir la concentración de stress eléctrico en la interface conductor(blindaje)/aislación es un hecho ampliamente reconocido con los cables subterráneos. Cuando una rama de árbol u otro objeto hace contacto o cortocircuita conductores protegidos, puede pensarse que hace un blindaje parcial del cable en el punto o puntos de contacto. Esto conduce a una alteración de la distribución normal de stress eléctrico en la interfase blindaje/conductor y en la interfase del exterior de la aislación/aire. El siguiente ensayo fue llevado a cabo para demostrar los beneficios del blindaje del conductor sobre la capacidad del cable para soportar tensión.

Se tomó muestras gemelas de conductor de aluminio tamaño 1/0 AWG (aproximadamente 50 mm2) con 2 mm de espesor de cubierta aislante en polietileno negro de alta densidad, 5 muestras con una capa de blindaje semiconductor extruído y 5 muestras sin blindaje. Se sumergió en agua 16,50 metros de longitud activa de cada muestra, y se las expuso a incrementos de campo de 1,57 KV/mm en pasos de 5 minutos de duración cada uno, hasta la perforación.

Los valores de campo obtenidos para perforación fueron:

Muestra

ConductorBlindado

ConductorSin Blindaje

1

20,4 KV/mm

11,8 KV/mm

2

18,9 KV/mm

16,5 KV/mm

3

22,0 KV/mm

15,0 KV/mm

4

18,9 KV/mm

10,2 KV/mm

5

18,9 KV/mm

16,5 KV/mm

Promedio

19,8 KV/mm

14,0 KV/mm

El incremento en la rigidez a la perforación del conductor con blindaje es evidente.

B. Cortocircuito con madera mojada, fase - neutro:

Es muy probable que los sistemas rurales posean secciones de línea que no sean recorridas por largos períodos después de tormentas o vientos fuertes. Las ramas caídas sobre el sistema de cable con espaciadores no constituyen causa de interrupciones de servicio, ni momentáneas ni permanentes. Así, una rama puede quedar cortocircuitando entre fases o fase-neutro por un largo período. Para estimar el tiempo que puede subsistir tal condición, sin que aparezca una erosión de la cubierta suficiente para provocar una falla, se tomaron un trozo de cable portante desnudo y otro de conductor de fase, y se pusieron en cortocircuito por medio de una tabla de madera mojada durante toda la noche, y luego posada sobre los cables durante toda una jornada laboral, como se muestra en la Figura 3:

Se puso a tierra al neutro y se energizó al conductor protegido. El espaciamiento de conductores fué de 0,42 metros. El tiempo transcurrido hasta que apareció una falla fase-neutro fué como sigue:

Tipo de Cable

15 KV

15 KV

35 KV

 

Sin blindaje

Blindado

Blindado

Tensión Aplicada

Tiempo transcurrido hasta fallar [horas]

30

510,5

856,5

Test detenido a las 3.405 horas

40

50,0

220,4

No se ensayó

50

0,3

3,9

No se ensayó

El tiempo que transcurrirá hasta fallar, con las tensiones de operación normales fase-neutro (es decir 7,6 y 19 KV) es bastante largo; y también se demuestra claramente el beneficio que trae el uso del blindaje. El tiempo de falla para el cable de 35 KV, aún a 1,5 veces su tensión normal de operación, resulta tan largo que hace impracticable un ensayo de duración razonable.

C. Un ejemplo real:

En el año 1985 la compañía Bangor Hydro instaló un sistema de cable con espaciadores en un sector de circuito de 46 KV en conexión estrella con neutro aislado. Los cables protegidos consistieron en conductores de aluminio, con blindaje semiconductor extruído, capa aislante de 5,7 mm de espesor de polietileno natural de alto peso molecular, y una capa resistente a la erosión eléctrica de 4,45 mm de espesor en polietileno de alta densidad, estabilizado para radiación UV. En 1996 se notó que una rama de pino de 51 mm de diámetro estaba en contacto con una de las fases. Una cuadrilla cortó la rama. Dicha rama fue desgastada por el frotamiento y se carbonizó en 1/3 de su espesor.

Las estimaciones acerca del tiempo que la rama permaneció en contacto con el conductor oscilaron desde un mínimo de 4 a un máximo de 8 años. Se encontró solo una moderada erosión eléctrica sobre la superficie del cable. No se recomienda la permanencia de contactos entre ramas y cables, pero este incidente plantea un marco temporal sobre cuán largo puede ser admitido un contacto sin que resulte una falla del cable.

D. Caída de tensión:

La pequeña distancia entre conductores típica del sistema de cable con espaciadores (0,19 a 0,20 m para sistemas de 5 y 15 KV; 0,28 a 0,29 m para sistemas de 25, 35 y 46 KV) resulta en una reactancia inductiva pequeña para conductores de aluminio típicos, comparada con la obtenida para los mismos conductores en disposición convencional en líneas aéreas desnudas.

Esto es especialmente significativo en líneas rurales que están frecuentemente limitadas por caída de tensión y no por carga.

IV. CONFIABILIDAD

Es difícil obtener datos estadísticos comparando la confiabilidad del cable con espaciadores con respecto a la de líneas aéreas convencionales desnudas, debido a diferencias en las condiciones ambientales locales, edad de las redes, y significado estadístico de la magnitud de los sistemas a comparar. Se obtuvo información de una empresa distribuidora de energía con mas de 30 años de experiencia con redes en cable con espaciadores y líneas desnudas, perteneciente a un período de 3 años desde 1995 a 1997. La edad relativa de las redes no es conocida, pero esta empresa usó cable con espaciadores desde mediados de los '50s, con una presencia de más de 750 Km de líneas acumuladas.

La política de dicha empresa es la de usar cable con espaciadores donde las circunstancias imperantes lo aconsejen, tales como áreas densamente arboladas, donde haya dificultades para obtener permisos de poda, con problemas de servidumbre, construcción bajo líneas de alta tensión, y circuitos de confiabilidad crítica. Todo esto coloca siempre al cable con espaciadores sobre "caminos espinosos", que hace subestimar en cualquier estadística comparativa a las reales ventajas del mismo.

Las salidas de servicio son clasificadas en 3 categorías: 1) de menos de 5 minutos de duración; 2) salidas relacionadas con tormentas; y 3) salidas no relacionadas con tormentas, y de mas de 5 minutos de duración. La información separada por tipo constructivo aparece sólo en las salidas no relacionadas con tormentas, y de mas de 5 minutos de duración. Para este caso, los circuitos en cable con espaciadores presentaron un 75 % menos salidas de servicio que los circuitos de líneas desnudas.

A continuación mostramos un desglose de las causas de salida fuera de servicio [10]:

Causa de Salida

Cable Desnudo

Cable con Espaciadores

Reducción[%]

Relacionada

con árboles

17,6

1,8

90

Animales

12,1

2,9

76

Rayos

3,4

1,0

71

Desconocidas

5,9

1,0

83

Las demás

11,3

5,9

48

Total

50,3

12,5

75

La vasta mayoría de las salidas de servicio están en la categoría de menos de 5 minutos de duración, y esas son virtualmente eliminadas por la misma naturaleza del diseño del cable con espaciadores.

Las salidas relacionadas con tormentas (extractadas de los registros para hacer la comparación) representaron el 20 % del total de salidas reportadas, pero significaron el 42 % de las interrupciones a los consumidores, y el 77 % de los minutos de salida. El cable con espaciadores está específicamente diseñado para resultar efectivo contra salidas de servicio relacionadas con tormentas. La figura 1 indica que el cable con espaciadores es inherentemente resistente a los accidentes debidos a la fauna salvaje.

Suplementándolo con capuchones protectores de vida salvaje y cable protegido de derivación, la reducción de salidas por contactos con fauna salvaje podría llegar al 100%.

V. SEGURIDAD

A los conductores protegidos siempre se los debe considerar como si fueran desnudos, a los fines de seguridad del personal de operación como del público en general [3]. Algunos expresan temor acerca que salvo en el caso que la cubierta se haya roto en el punto de contacto con tierra, no habrá suficiente flujo de corriente de falla para activar las protecciones e interrumpir el circuito. A pesar que esto es cierto, quedan algunas falacias que hacen aparecer al cable con espaciadores poco seguro cuando se lo compara con líneas desnudas convencionales. Corresponde recordar que:

1) "A pesar que las estadísticas no lo reflejan, los linieros que responden a las llamadas de reclamo informan que entre 1/3 y ½ de las veces que encuentran cables caídos, estos aún están energizados cuando llegan al escenario del accidente" [12].

2) La fortaleza inherente del sistema de cable con espaciadores, y las cifras de confiabilidad, sugieren que la cantidad de veces que se cae el cable comparado con las veces que se cae una línea aérea desnuda, hace aparecer al cable desnudo mucho mas vulnerable [10].

3) A pesar que no se lo usa específicamente por razones de seguridad, la realidad es que el mayor diámetro del cable con espaciadores lo hace mucho mas visible, haciendo que el contacto sea mucho menos probable. Además, si la cubierta está intacta y no tiene contaminación inusual, un contacto accidental aparejará solo la aparición de una corriente de carga capacitiva. Mientras de este contacto puede resultar un shock atemorizante, seguramente el mismo no será suficiente para causar electrocución en una persona normal [3]. Esto también es aplicable al ganado.

VI. CONCLUSIONES

1. En condiciones reales de servicio, los sistemas de cable aéreo con espaciadores han demostrado un nivel de confiabilidad mayor que los de cable desnudo.

2. Los sistemas de cable con espaciadores incrementan significativamente la calidad de servicio, eliminando virtualmente disparos instantáneos debidos a contactos con árboles, ramas y otros desechos.

3. Los sistemas de cable aéreo con espaciadores ofrecen un mayor número de oportunidades para resolver problemas de instalación y explotación.

4. Los sistemas de cable con espaciadores pueden soportar contactos fase con fase o a tierra debidos a ramas y otros desechos durante largo tiempo, sin provocar fallas.

5. Los cables con espaciadores que incorporan blindaje del conductor poseen mayor rigidez dieléctrica en C.A. y soportan contactos entre fases o a tierra durante más tiempo que los cables que no incorporan blindaje.

6. La menor caída de tensión que ofrecen los sistemas de cable aéreo con espaciadores con respecto a las líneas aéreas desnudas, puede resultar de interés para aplicarlos en aquellos sistemas rurales limitados por caída de tensión.

VII. REFERENCIAS

1.) S. Bello, G. Grenier, M. Kuhlenengle, C. Landinger, K. Psilopoulos. "Development and Installation of a 69 kV Aerial Cable System" presentado en IEEE T&D Expo, New Orleans, April 1999.

2.) A. L. Clapp, J. B. Daggenhart, C. Landinger, W. McAuliffe, W. A. Thue. " Design and Application of Aerial Systems Using Insulated and Covered Wire and Cable" presentado en IEEE T&D Expo, Los Angeles, September 1996.

3.) A. L. Clapp, J. B. Daggenhart, C. Landinger, J. W. McAuliffe, W. A. Thue. "Safety Considerations of Aerial Systems Using Insulated and Covered Wire and Cable" presentado en IEEE T&D Expo, Los Angeles, September 1996.

4.) M. R. Soars, F. R. Britto, F. Nishimura, L. D. Cicarelli, "Spacer Cable and ABC Distribution Lines, a Long Term Analysis" presentado en IEEE T&D Expo, Los Angeles, September 1996.

5.) H. B. Slade. "Three Phase Measurements of Charging Currents on Spacer Cable Systems Under Simulated Service Conditions" paper #CP 62-PWR, presentado en IEEE Winter Power Meeting, New York, January 25-30, 1970.

6.) R. T. Harrold, T. W. Dakin. "On Predicting the Life of Polyethylene Spacer Cable Eroded by Surface Discharges in Wet Weather" IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS-95, pp. 821-828, May/June 1976.

7.) E. K. Duffy, S. Jovanovetch, I. J. Marwick, "Discharge Resistant Characteristics of Polyethylene for Wire and Cable" paper #CP 63-413, presentado en IEEE Winter General Meeting, New York, January 27- February 1, 1963.

8.) Boletín REA (RUS) 45-1 "Guide For Making Voltage Drop Calculations" March 1957.

9.) Publicación Westinghouse Corp. "Electric Transmission and Distribution Reference Book' (4th Edition), Table II-A, page 50 7 Table VI, page 54.

10.) Publicación Hendrix "Reliability of Overhead Distribution Circuits" August 1998, obtenible en Redes Eléctricas S.A., Avda. Córdoba 1332, 2º P "E", (1055 AAQ) Buenos Aires.

11.) I.W. Forrest. " Taming Century Storms Yearly" presentada en Southeastern Electric Exchange Power Systems Corrosion Conf., Myrtle Beach, SC., 1994.

12.) "Protecting Yourself From Downed Lines" Transmission and Distribution World Magazine. September 1999, pp. 77-80.

13.) National Electric Safety Code (NESC), ANSI C2-1977 Edition

VIII. AGRADECIMIENTOS

El autor agradece las contribuciones de Gary Grenier, Ed Laughlin, Kris Psilopoulos, Eric Snitgen y Tom Wilson, a la versión original de este documento.

Carl C. Landinger, miembro Senior IEEE, vocal ICC de PES. El Sr. Landinger tiene título BSEE de la Marquette University, Milwaukee, WI y tiene experiencia previa con Wisconsin Electric Power Co., Anaconda Wire & Cable, Wisconsin Electric Cooperative Assoc. y Alcoa Conductor Products Co. Es actualmente Director de Tecnología para Hendrix Wire & Cable e Ingeniero Profesional en 7 Estados de EE. UU. de Norteamérica.