CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DE LOS CABLES SUBTERRÁNEOS

Un trozo de material esta dispuesto de muchos átomos dispuestos de una manera peculiar de acuerdo al material. Algunos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres que pueden moverse a través del material. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir carga de un objeto a otro y se llaman conductores.

Constitución de los cables subterráneos

Cada cable puede estar provisto de uno, dos, tres o cuatro conductores. Anteriormente se empleaban en las líneas monofásicas y trifásicas conductores concéntricos, pero por las dificultades de fabricación y aislamiento cayeron en desuso, fabricándose exclusivamente en la actualidad con conductores tranzados o arrollados en hélice.

AISLANTE

Es un material que se resiste al flujo de carga, algunos ejemplos de aislante son la ebonita, el plástico la mica, la baquelita, el azufre y el aire.

Los cables aislados consisten esencialmente en uno o mas conductores mediante materiales enrollados o extruidos sobre los conductores; ademas, dependiendo del tipo de cable y de la tensión para la que este diseñado, existen otros elementos que tiene por objeto lograr el mejor aprovechamiento de las caulidades de los aislamientos y la preservación de esas cualidades, en el caso general pueden distinguirse las pasrtes componentes de un cable en la siguiente figura.

En la siguiente tabla se indica los aislamientos mas utilizados

PAPEL IMPREGNADO

El papel impregnados fue uno de los primeros materiales utilizados para el aislamiento de los cables para la transmisión de energía eléctrica y continua siendo el mejor aislamiento para cables de alta tensión.

Sus principales características son las siguientes

Su gran desventaja consiste en que es muy higroscópico y que la absorción de la humedad deteriora considerablemente sus cualidades dieléctricas, por esta razón el aislamiento de papel debe secarse perfectamente durante el proceso de fabricación del cable y protegerse con un forro hermético.

Para realizar este tipo de aislamiento se enrolla sobre el conductor cintas de papel, helicoidalmente, en capas superpuestas, hasta obtener el espesor de aislamiento deseado; A continuación se seca y se desgasifica el aislamiento calentándolo y sometiéndolo a un vacío elevado y se impregna con aceite mineral.

En los cables llamados de tipos sólidos que se usan para tensiones entre fases de hasta 69 Kv en cables monopolares y 46 Kv en cables tripolares, el aceite mineral para la impregnación se mezcla con una resina vegetal para aumentar su viscosidad y evitar así la migración del aceite aislante por gravedad hacia las partes mas bajas de la instalación. En cables para tensiones mas elevadas, el aislamiento se mantiene bajo presión por diferentes medios.

Se han realizado cables con aislamiento para tensiones hasta de 50 Kv (voltaje entre fases) y están en proceso de investigación cable para 750 Kv

CAMBRAY BARNIZADO

Es una cinta de algodón barnizado con varias capas de barniz aislantes. Entre cada capa de aislamiento hay una sustancia lubricante de alta viscosidad. Constituye un aislamiento mas flexible, aunque de menor calidad, que el papel impregnado y se aplicado en casos de cables colocados verticalmente o con pendientes pronunciadas, ya que no representa el inconveniente de los cables del papel impregnado, en los que el aceite puede escurrirse por gravedad.

El cambray barnizado se ha usado en tensiones de 600 volts a 23000 volts pero actualmente ha sido desplazado por cables de aislamiento sintético que resultan mas económicos.

TERMOPLÁSTICOS

Son materiales orgánicos sintéticos obtenidos por polimerización. Se vuelve plástico al aumentar la temperatura lo que permite aplicarlos por extrusión en caliente sobre los conductores, solidificándose después al hacer pasar el cable por un baño de agua fría.

Los termoplásticos mas utilizados como aislamientos de cables eléctricos son el cloruro de polivinil (PVC) y el polietileno.

El PVC mezclado con otra sustancia se utiliza extensamente como aislante sobre todo en cables de baja tensión, debido a su bajo costo, a su mayor resistencia a la ionización comparado con otros aislamientos orgánicos sintéticos y a poder obtenerse con mezclas adecuadas, temperaturas de operación que van desde 60º C a 150º C. Tiene el inconveniente de tener una constante dieléctrica elevada y en consecuencia pérdidas eléctricas altas, lo que limita su empleo en tensiones mas elevadas.

Sin embargo en Alemania e Italia se han desarrollado compuestos de PVC que, a la temperatura de operación del cable, tiene pérdidas dieléctricas relativamente bajas. Actualmente se fabrica cable con aislamiento de PVC para tensiones hasta de 23000 volts.

El polietileno que se obtiene por polimeración de gas etileno, tiene excelentes características como aislante eléctrico: rigidez dieléctrica comparable a la del papel impregnado y pérdidas dieléctricas menores. Tienen también una conductividad térmica mayor que el papel impregnado, lo que facilita la disipación del calor.

Las desventajas del polietileno es que puede producirse deterioro del aislamiento debido a descargas parciales producidas por ionización, su punto de fusión es bastante bajo del orden de los 110º C lo que limita la temperatura de operación de los cables aislados con polietileno a 75º C. Para mejorar las características térmicas se han desarrollado el polietileno de alta densidad y el polietileno vulcanizado o de cadena cruzada.

El polietileno de alta densidad tiene un punto de fusión de 130º C mejores cualidades mecánicas y un costo menor. El polietileno de alta densidad extruido se ha utilizado en cables hasta de 63 Kv a medida que se va perfeccionando la tecnología de la extrusión de este material su uso se extiende a tensiones mas elevadas habiendo puesto en servicio en 1980 un cable para 225 Kv.

TERMOFIJOS

Los Aislamiento agrupados bajo el nombre de termofijos están constituidos por materiales que se caracterizan porque, mediante un proceso de vulcanización, se hace desaparecer su plasticidad y se aumente su elasticidad y la consistencia mecánica.

Estos aislamientos se aplican generalmente por extrusión y se someten a un proceso de vulcanización elevando la temperatura a los valores requeridos.

Los aislantes termofijos mas usados son el hule natural y los hules sintéticos, conocidos con el nombre genérico de elastómeros y más reciente algunos derivados del polietileno.

El hule natural fue, con el papel, uno de los materiales usados para el aislamiento de cables. Se obtiene del látex de un árbol tropical originario de Brasil. Para utilizarlo como aislamiento se mezcla con otras substancias: plastificantes, agentes de vulcanización (1 a 2% de azufre) y modificadores y vulcanizado se emplea mucho en baja tensión y con menos frecuencia para tensiones mas elevadas hasta de 25 Kv

los hules sintéticos mas utilizados como aislamientos de cable son el estireno-butadieno (SBR) el butilo, el neopreno, y el etileno-propileno (EPR)

El estireno-butadieno conocido comercialmente con las iniciales SBR sus cualidades eléctricas y mecánicas son ligeramente inferiores a las del hule natural. En cambio sus cualidades de resistencia a los agentes químicos y al envejecimiento son algo superiores, por sus características y su bajo precio se ha utilizado principalmente en el aislamiento de cables de baja tensión.

El butilo es un hule sintético cuya propiedad principal es poder trabajar a temperaturas mas elevadas que el hule natural su temperatura de operación es de 85º C. También ofrece una mayor resistencia a la ionización lo que permite usarlo para tensiones mas altas, una gran flexibilidad y resistencia a la humedad superior a la del hule natural. Aunque la materia prima para este tipo de aislamiento es barato su proceso de fabricación es elevado por lo que el precio final es costoso. Tiene aplicaciones para corta longitud, para aplicaciones especiales.

El neopreno es un hule sintético de bajas propiedades dieléctricas pero superior a los elastómeros antes citados en lo que respecta a la resistencia a los aceites, a la flama, a la abrasión y a la intemperie por esta razón y su gran flexibilidad se usa principalmente en forros o cubiertas de cables aislados con otros elastómeros.

El etileno-propileno es un hule sintético de desarrollo reciente que tiene cualidades dieléctricas próximas a las de polietileno pero mayor resistencia ala ionización y una temperatura de operación de 90º C, se aplican especialmente a circuitos de alta tensión en instalaciones industriales. Actualmente se fabrican cables con este tipo de aislamiento para tensiones de hasta 60000 volts.

El polietileno sulfoclorado se obtiene sometiendo el polietileno a la acción simultanea del cloro y del anhídrido sulforoso; se obtiene un producto que, después es vulcanizado, tiene una gran resistencia a los agentes químicos y al ozono. Sus propiedades eléctricas son intermedias entre las del hule natural y el neopreno y puede trabajar a temperaturas mas altas, del orden de 90º C, su aplicación principal es en cubiertas de cables.

El polietileno vulcanizado también llamado polietileno de cadena cruzada o polietileno reticulado, se obtiene mediante la adición de un peroxido que a la temperatura elevada del proceso de vulcanización reacciona con el polietileno, produciendo la liga de las cadenas moleculares del polietileno. El polietileno vulcanizado puede trabajar continuamente a 90º C. En cambio la vulcanización aumente la rigidez del polietileno y esa perdida de flexibilidad dificulta el manejo del cable

CUBIERTA SEMICONDUCTORA Y PANTALLA

La cubierta semiconductora que se coloca inmediatamente sobre el conductor, tiene por objeto uniformar el gradiente eléctrico en la superficie del conductor, eliminando las distorsiones del campo eléctrico debidas a las protuberancias constituidas por los hilos de la capa exterior. ( el uso de materiales semiconductores se debe a que en esta forma se reduce la intensidad de las cargas eléctricas que pueden producir ionización, con respecto a la que se tendrá si se utilizasen cubiertas metálicas).

La cubierta semiconductora puede estar constituida por una cinta de papel de papel saturado en carbón coloidal, enrollada directamente sobre el conductor. Esta disposición se usa, por ejemplo, en los cables aislados con papel impregnado. En cables con aislamientos extruidos de construcción moderna, la cubierta semiconductora se aplica por extrusión usando un material semiconductor adecuado.

La pantalla esta constituida por una capa conductora colocada sobre el aislamiento y conectada a tierra, que tiene por objeto principal crear una superficie equipotencial para obtener un campo eléctrico radial en el dieléctrico. (La pantalla sirve también para blindar el cable contra potenciales inducidos por campos eléctricos externos y como protección para el personal, mediante su conexión efectiva en tierra). Puede realizarse mediante una cinta de papel metalizado o una cinta de un metal no magnético (cobre o aluminio) de un espesor del orden de los .8 mm, enrollada sobre el aislamiento. En cables con aislamiento extruido se usan pantallas semiconductoras aplicadas por extrusión, colocadas entre la pantalla y el aislamiento, incluso con materiales aislantes como el polietileno que tiene un alto coeficiente de expansión térmica; en estos casos la pantalla metálica suele estar constituida por hilos de cobre o aluminio enrollados sobre la pantalla semiconductora.

En los cables para alta tensión en los que los gradientes eléctricos aplicados al aislamiento son bajos, no se requiere un control de la distribución del campo eléctrico y por lo tanto puede prescindirse de la pantalla metálica; sin embargo ésta se usa en ocasiones e cables de baja tensión, para evitar la inducción de potenciales en los conductores , debidos a los campos eléctricos externos.