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Finalidad de la unión de cubiertas de cables
Los cables eléctricos de alta tensión están provistos de un conductor concéntrico exterior en forma de pantalla metálica y/o una cubierta metálica que rodea al conductor principal y a la capa aislante. Las pantallas metálicas y las cubiertas metálicas se denominan colectivamente cubierta. La cubierta también incluye cualquier capa metálica de blindaje del cable. El objetivo de la cubierta metálica de un cable es proporcionar una vía de retorno de la corriente de defecto, una vía de retorno para las corrientes de carga capacitiva inducidas, un potencial de tierra (tensión de contacto cero o similar) para la seguridad de las personas y una barrera contra la humedad para el aislamiento del cable.
En los circuitos de cables de alta tensión que transportan más de 500 A, se utilizan dispositivos de conexión de cubierta para reducir (a menudo significativamente) las pérdidas de corriente de cubierta. Aunque los sistemas de conexión suponen un coste adicional en equipos y mantenimiento, a menudo permiten utilizar cables de un tamaño considerablemente menor para suministrar las mismas corrientes de carga. La disposición de la cubierta metálica seleccionada para los sistemas de cables de alta tensión es la segunda que más influye en los valores nominales de corriente de los cables, sólo superada por la resistencia térmica externa (el entorno instalado) de los cables. Las intensidades nominales de los cables de alta tensión se calculan utilizando la serie de normas IEC 60287.
Un sistema de conexión de cubierta se utiliza para proteger el aislamiento de varios componentes del sistema de cables durante el funcionamiento normal, así como de sobretensiones transitorias provocadas por rayos, conmutaciones y sobretensiones de avería. Además, la disposición de la conexión de cubierta también es importante desde el punto de vista de la seguridad.
En este informe explicamos los siguientes tipos: unión sólida, unión de un solo punto, unión cruzada y unión por impedancia.
Las uniones transversales seccionadas son las uniones especiales más comunes para las líneas de transmisión de AT y MAT, excepto si la longitud de la línea es corta, en cuyo caso se suelen utilizar uniones de un solo punto.
Consulte otros artículos sobre el diseño del conductor de continuidad de tierra (ECC), la selección del limitador de tensión de cubierta (SVL) y la selección del cable de conexión.
Pérdidas en la cubierta del cable
El campo magnético que se genera a partir del flujo de corriente en los conductores principales de los cables crea un efecto "transformador" que induce una corriente en la cubierta. Debido a estas corrientes inducidas en la cubierta pueden producirse dos tipos de pérdidas: pérdidas por corrientes circulantes y pérdidas por corrientes parásitas. La presencia de pérdidas de corriente en la cubierta provoca un calentamiento adicional en el interior del cable, lo que se traduce en una reducción de la capacidad de transporte de corriente del conductor de los cables.
Las corrientes parásitas circulan radial y longitudinalmente por las cubiertas de los cables y se generan siguiendo principios similares a los efectos piel y proximidad. Las corrientes parásitas son generalmente de menor magnitud en comparación con la corriente circulante y se generan en la cubierta del cable, independientemente del sistema de unión de los cables unipolares.
Si hay corrientes circulantes en la vaina (dependiendo de la disposición de la unión de la vaina) su magnitud de corriente es generalmente mucho mayor que la de las corrientes parásitas.
Las corrientes circulantes se producen en la cubierta en el caso de la unión sólida de cables unipolares y cables multipolares en los que una cubierta individual rodea cada núcleo conductor. En el caso de las cubiertas unipolares o cruzadas, no se producen corrientes circulantes, pero sí pérdidas por corrientes parásitas.
Diseños de unión de vainas
Adhesión sólida
Método
Figura 1. Sistema de cables sólidos
Figura 2. Sistema de enlace sólido con puntos intermedios de puesta a tierra
Aplicación
Ventajas
- Solución sencilla y económica.
- El campo magnético externo al cable es bajo debido a la dirección opuesta de la corriente de cubierta con respecto a las corrientes del conductor.
- Requiere un mantenimiento mínimo.
- La tensión de la vaina se considera al potencial de tierra en cada punto.
Desventajas
- La corriente que circula por los conductores de los cables induce corrientes circulantes en las cubiertas que pueden alcanzar el 80 % de la corriente del conductor.
- El calor generado a través de las pérdidas de joule por el flujo de corriente circulante provocará un calentamiento adicional que desclasificará el sistema de cables y dará lugar a tamaños de cable más grandes para las disposiciones de enlace sólido.
Consideraciones sobre el diseño
- Utilice dos cables de conexión a tierra paralelos e independientes en cada punto de conexión (final o medio) para reducir la probabilidad de desconexión.
- Los cables de conexión a tierra deben ser capaces de soportar las corrientes de defecto.
- En función de la longitud y otros parámetros, pueden incluirse puntos intermedios de puesta a tierra.
- La magnitud de la corriente circulante es independiente de la longitud del circuito.
Unión de un solo punto
Método
Figura 3. Sistema de cable unido en un solo punto
Figura 4. Sistema de cable de unión de un punto seccionalizado
Aplicación
Ventajas
- La unión en un solo punto mejora los valores nominales de corriente del cable, ya que se eliminan las pérdidas de corriente circulante inducidas en la cubierta.
- Sólo se necesita una longitud de cable, lo que hace que la unión en un solo punto sea una solución económica.
- La corriente no fluye longitudinalmente a lo largo de las vainas. Esto se debe a que no existe una trayectoria eléctrica continua de bucle cerrado para la vaina. En consecuencia, se eliminan las pérdidas de corriente circulante de la vaina. (Tenga en cuenta que las pérdidas por corrientes parásitas en las vainas seguirán presentes).
Desventajas
- Este método hace que la tensión aumente a lo largo del cable y estas tensiones son proporcionales a la corriente del conductor y a la longitud del cable. En los cables unipolares, esta tensión aumenta con la separación entre fases individuales.
- Para reducir esta tensión, se instala un ECC paralelo a los cables, lo que aumenta considerablemente el coste del sistema de cables.
- Hay que tener cuidado de aislar la vaina en el extremo libre para evitar el peligro de las tensiones inducidas.
Consideraciones sobre el diseño
En un sistema de cable con un único punto de conexión, se induce una tensión en la cubierta del cable durante el funcionamiento, que aumenta progresivamente con la distancia desde el punto conectado a tierra. Esta tensión inducida alcanza un máximo en el punto más alejado del extremo conectado a tierra. Por lo tanto, la longitud máxima de la sección del cable se rige por la tensión estacionaria admisible en la cubierta en el extremo aislado.
La tensión inducida en la vaina debe calcularse de forma que no supere un límite de tensión de contacto aceptable por motivos de seguridad. La mayoría de los países tienen una norma nacional que regula las tensiones estacionarias máximas permitidas en las frecuencias de alimentación, ya que se trata de una cuestión importante, sobre todo para los trabajadores de mantenimiento, y estos límites de tensión suelen oscilar entre 35 y 400 V en función del país y de la normativa aplicada.
En los puntos más alejados del extremo conectado a tierra, la cubierta debe estar aislada eficazmente de tierra durante toda la vida útil del sistema de cables. Si el nivel de sobretensión previsto es superior al 75% del nivel básico de aislamiento (BIL) del aislante de la cubierta, debe utilizarse siempre un limitador de tensión de cubierta (SVL). El SVL suele conectarse entre la cubierta abierta y el punto de tierra para proteger la cubierta del cable de sobretensiones durante transitorios provocados por conmutaciones, iluminación o averías.
Un ECC se instala en paralelo con los cables de un sistema de enlace de un solo punto, excepto cuando ambos extremos del cable comparten un sistema de puesta a tierra común. La ubicación relativa del ECC con respecto a los conductores de fase debe considerarse cuidadosamente y el ECC debe transponerse en el centro del sistema de cables.
Enlaces cruzados
Método
Figura 5. Cables cruzados sin transposición
Figura 6. Cables cruzados con transposición
Tipos
Continuo Tipo de unión cruzada
Unión cruzada seccionalizada
Unión cruzada directa
Unión cruzada de líneas cortas
Adhesión cruzada en instalaciones de túneles
Aunque en esta disposición los cables de conexión cruzada no transportan la corriente de sobretensión, deben dimensionarse para transportar las corrientes de cortocircuito del sistema. A diferencia de la conexión cruzada normal, en la que los SVL se conectan en estrella, en la instalación en túnel los SVL se conectan en triángulo. Debido a las tensiones inducidas más elevadas en condiciones normales y transitorias, en este tipo de instalación se requiere una tensión nominal más elevada para el SVL.
Aplicaciones
Ventajas
- En comparación con la unión de un solo punto, una configuración de unión cruzada tiene la ventaja de no estar limitada en longitud.
- Las corrientes circulantes se reducen significativamente, lo que se traduce en menores pérdidas en la cubierta y mayores valores nominales de corriente del cable.
- Además de inhibir las corrientes de cubierta durante el funcionamiento normal con carga equilibrada, las cubiertas forman una ruta continua de extremo a extremo del circuito del cable y están conectadas a tierra en ambos extremos. Por lo tanto, durante los fallos a tierra, las corrientes de cubierta pueden fluir a través de la longitud, eliminando así la necesidad de un ECC separado.
- Además del ahorro que supone la supresión del ECC, las cubiertas de los cables funcionan más eficazmente como conductores de apantallamiento durante los fallos a tierra que un ECC paralelo. Por lo tanto, las tensiones inducidas en cables paralelos, líneas de comunicación, tuberías, vallas, etc., se reducen durante las faltas a tierra en un sistema de conexión cruzada frente a un sistema similar de conexión de un solo punto.
Desventajas
- Costoso y complicado.
- La unión cruzada de las vainas reduce significativamente la corriente circulante en ellas. Sin embargo, es difícil garantizar que todas las secciones tengan la misma longitud.
Consideraciones sobre el diseño
La longitud de cada sección y las distancias entre cables están limitadas por los niveles de tensión inducida y las diferencias de tensión entre las cubiertas y los puntos de puesta a tierra.
En los circuitos de cables entrecruzados, las tensiones más elevadas entre la cubierta y la toma de tierra se deben a fallos bifásicos y trifásicos. Si el circuito de cables cruzados se inserta en medio de una línea aérea, las faltas monofásicas producen las tensiones más altas entre la cubierta y la tierra, que aumentan con las impedancias de tierra.
Unión de impedancias
Método
En la unión de cubierta de transformador, ambos extremos de cada cubierta de cable están conectados eléctricamente a un transformador de unión de cubierta trifásico, como se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Unión de impedancias mediante transformadores de unión de vainas
Aplicación
Ventajas
- El esquema del transformador de enlace es eficaz para limitar las corrientes de cubierta inducidas, independientemente de que las distancias entre las bóvedas de los cables sean iguales o desiguales.
Desventajas
- Se necesita espacio adicional en la cámara acorazada.
- Los dispositivos de impedancia son relativamente caros, ya que deben diseñarse para soportar corrientes de fallo
- Durante el funcionamiento normal, pueden inducirse terceros armónicos en la cubierta, que pueden causar interferencias en las líneas de telecomunicaciones cercanas.
- Las corrientes continuas parásitas que entran a través de la toma de tierra pueden provocar la saturación de los núcleos de hierro y alterar el funcionamiento de los reactores o transformadores.
Consideraciones sobre el diseño
Conclusiones
La unión de cubiertas es uno de los aspectos de diseño más importantes, que requiere una cuidadosa consideración, para la transmisión de cables eléctricos de alta tensión. La unión de las cubiertas de los cables sirve para múltiples propósitos y tiene un impacto significativo en el coste global del sistema y en la intensidad nominal de los cables.
