Cables subterráneos con cajas de empalme. Propuesta de normalización de ensayos previos a su puesta en servicio

Transcripción

1 ables subteáneos con cajas de empalme. Popuesta de nomalización de ensayos pevios a su puesta en sevicio Ing. Robeto ácees Resumen--Una onda que viaje a tavés de un cable subteáneo con impedancia caacteística, si no encuenta vaiaciones de impedancia en su camino, llegaá al final del mismo y, en el caso de que tenga una impedancia de caga L, no poduciá una onda eflejada. Si este cable tuviese una o vaias cajas de empalme con impedancias distintas a la caacteística, al alimenta una falla aguas abajo, po él ciculaá un fente de onda de hasta vaios miles de Ampe, que, al atavesa un caja de empalme que tenga una mayo impedancia a la del cable, disminuye su velocidad de popagación, pues la coiente encuenta una mayo esistencia a su paso. Po pincipio de consevación de la enegía, ésta sólo puede genea mayo tensión paa consevase. Este aumento en la tensión, cuando la desadaptación de impedancias es gande, puede supea los límites de los mateiales dielécticos del empalme, (sobe todo en las cajas antiguas, poduciendo una nueva falla. Paa que evita que ésto ocua, en este tabajo se poponen dos ensayos, uno de adaptación de impedancias y oto de igidez, denominados De Puesta en Sevicio. I. INTRODUIÓN La expeiencia de ealiza estos ensayos se obtiene de aplicalos como Noma sobe la ed subteánea de La oopeativa, Empesa Eléctica de Godoy uz, Mendoza, Agentina, que en la actualidad tiene 0 km de edes subteáneas, de los cuales un 70 % son del tipo aislado en papel impegnado (API no adiales y esto con aislación seca ( adiales. Si bien se puede considea que es una ed mediana, los esultados son totalmente extapolables. Estas consideaciones pácticas se aplican desde 980, con un seguimiento que, con 7 años de expeiencia, se pueden considea válidos. En ese año, po ampliación de la zona de pestación de sevicios de La oopeativa, se ecibieon edes subteáneas povenientes de Agua y Enegía, mayomente del tipo API, y que pesentaban un alto pocentaje de fallas en las cajas de empalme cuando el cable alimentaba una falla aguas abajo. Ésto llevó al estudio de la causa del poblema, siendo que en todos los casos tenían su coespondiente ensayo de igidez con valoes de coiente fuga muy bajos, es deci, desde el punto de vista de su aislación, aptos paa enta en sevicio. La conclusión fue, como se demuesta en este tabajo, que no se tenía en cuenta la necesaia adaptación de impedancias al constui el empalme. Po ello se adoptó como páctica ealiza dos ensayos que se denominaon: De Puesta en Sevicio, uno de igidez y oto de eflectometía. II. ENSAYO DE RIGIDE La Asociación Electotécnica Agentina (AEA en su Reglamentación paa líneas Elécticas Exteioes en Geneal [], establece la tensión de ensayo a aplica a cables nuevos, lo que se tanscibe en la Tabla, con un coeficiente de disminución desde un 0 a un 50% de la tensión y el tiempo aplicado paa los instalados, lo que es muy geneal, peo no especifica el valo límite de coiente de fuga que detemina que el cable sea apto paa su uso. TALA I TENSIONES DE ENSAYO SEGÚN LA AEA E 0 : Tensión nominal de aislación ente un conducto aislado cualquiea y tiea en k. Según Nomas coespondientes al cable. E Tensión nominal de aislación en k ente dos conductoes aislados cualquiea del cable. EM 0,5(E 0 + E ( Esta pueba debe ealizase aplicada ente cada conducto y los demás unidos a la vaina metálica. Po ello, teniendo la ceteza de que los cables nuevos han sido debidamente constuidos de acuedo a Nomas vigentes [],[3] y ensayados en fábica, se deteminó: Un valo páctico de tensión de ensayo. La máxima coiente de fuga a acepta paa detemina si un cable es apto paa su uso. El ensayo se aplica a cables nuevos (después de instalalos o en uso, si han sido epaados. La tensión continua de ensayo aplicada E, suge de considea el pico de la tensión altena de sevicio ente fases, más un 0 % :

2 E 3,,,5 k La pueba se ealiza ente cada conducto y los demás unidos la vaina metálica y tiea. El tiempo es el de la Reglamentación de la AEA 0 o 5 minutos (no adial y adial espectivamente. Máxima coiente admisible: 00 µa ( ( A. oeficiente de eflexión ada discontinuidad en el cable poduce un cambio en sus caacteísticas de tansmisión y, po lo tanto, una eflexión. Po ello, una pate de la enegía incidente (diección positiva, es eflejada poduciendo una onda que se popaga desde el punto en que se encuenta la petubación, hacia la fuente (diección negativa. En la Fig. se esquematiza este caso paa la tensión, siendo p la onda incidente y la eflejada que se oigina po habe encontado en su ecoido, una impedancia distinta a la del cable. uando la coiente supea este valo, se pocede como con un cable con una falla, se la ubica y epaa. III. ENSAYO REFLETOMÉTRIO No es el objetivo de este tabajo ealiza un desaollo de la teoía de popagación de ondas electomagnética, la que es ampliamente tatada en la bibliogafía especializada [4],[5],[6],[7],[8], y que se supone conocida. Po ello sólo se ecuiá a lo necesaio paa la compensión del método de ensayo popuesto. Los cables subteáneos utilizados en las edes de distibución en media tensión se pueden compaa con un cable coaxil, pues cada conducto foma, junto con su malla metálica extena, una estuctua que es muy paecida a este tipo de cables, si la malla metálica es tatada de la misma manea que la pantalla extena de un cable coaxil. Esta similitud es casi pefecta en los cables aislados con papel impegnado en aceite, con cobetua de plomo (no adiales, y en los de aislación seca con campos adiales. El tipo de estuctua y de aislación utilizada influyen en la impedancia caacteística y en la velocidad de popagación en el cable. Siendo la impedancia caacteística del cable: L Ζ c (3 c Impedancia caacteística L Inductancia po unidad de longitud (µh/km apacidad po unidad de longitud (µf/km Y la velocidad de popagación: v p l c (4 L ε v p elocidad de popagación (m / µs l Longitud del cable (m c elocidad de la luz ε onstante dieléctica elativa del medio en el cual se popaga la onda. Tensión ( p Fig.. Ondas incidente ( p y eflejada (. on las siguientes fómulas se expesa el valo de la tensión (, de la coiente (I en punto cualquiea del cable p + (5 p I (6 c c Siendo el coeficiente de eflexión, que se expesa como la elación ente las ondas eflejada e incidente, en cada punto de ecoido. (7 A pati de aquí se analizan cuato casos típicos : La línea temina en una caga de impedancia igual a la caacteística (no hay onda eflejada. L La caga es un cicuito abieto (la onda eflejada tiene igual fase que la incidente. L 3 La caga es un cotocicuito (la onda eflejada tiene fase contaia a la incidente. L 0 4 La caga tiene una discontinuidad antes de su finalización que poduciá una onda eflejada cuya intensidad y signo dependeán de la desadaptación de p Longitud (m

3 3 impedancias que exista.. ajas de empalme p L. De estos cuato casos, sólo analizaemos el cuato caso, que es el poducido po una caja de empalme que une tamos de un mismo cable que, po ejemplo, se epaó, o cables distintos en su sección o tipo (po ejemplo cajas de tansición aceite-seco En la caja de empalme, nomalmente las distancias de los elementos aislantes son mayoes que en el esto del cable. Esto incementa la inductancia y disminuye la capacidad. Si llamamos a la impedancia caacteística de la caja de empalme, esta seá, de acuedo a la Ecuación 3, mayo que al esto del cable. Es deci: >. En la Fig. se epesenta una caja de empalme. La posición indica la entada a la caja de empalme, mientas que la indica la salida. La caja de empalme tiene entonces dos eflexiones sucesivas, y, poducidas po el pasaje a tavés de la impedancia a y de a espectivamente. Los coeficientes de eflexión, expesados en función de las impedancias, son: p p p p + p p( + El voltaje p es la onda incidente después de pasa po la posición (entada a la caja de empalme y es el que debe sopota la caja de empalme, aún en caso de cotocicuito aguas abajo Paa la posición (salida de la caja de empalme se tiene: p p + p ( + (9 (0 La tensión eflejada al alcanza la posición, tiene la eflexión ( pasaje de a. peo (+ (+ p (+ p ( Fig.. Esquema de una caja de empalme. uando < : > 0 y < 0 (negativo - Y vicevesa paa > + + En la posición, aplicando el citeio expesado en la ecuación (5 al voltaje incidente p y al eflejado, se obtiene: (8 ( ( La tensión, que es la eflexión povocada en la posición a la entada de la caja de empalme, es positiva La tensión, que es la eflexión povocada en la posición a la salida de la caja de empalme y hacia el fin del cable, es negativa. La Fig. 3 muesta las eflexiones que se obsevan. La mayo atenuación de las componentes de alta fecuencia poducen esta imagen típica en foma se S. La imagen coesponde al Distibuido ona Industial y muesta un tamo de.03 m, con una vp/ 83, m/µs. El cuso se encuenta sobe el final del cable, que está cotocicuitado paa una mejo visualización. Las imágenes de este tabajo fueon tomadas utilizando una cámaa convencional, ealizándose en esa época el tabajo de confección del positivo a escala : mediante un laboioso tabajo atesanal de un fotógafo pofesional, paa utilizala como compaación en el momento en que el cable pesentase una falla. En la actualidad, con la tecnología digital disponible, se esuelve el poblema en foma instantánea.

4 4 9 % (6 Fig. 3. Imagen de una caja de empalme en foma de S. Se pueden calcula las pédidas (o atenuación que sufiá p po la eflexión en la caja de empalme hasta tansfomase en Entonces p p 3 (+ p ( + (+ (3. METODOLOGÍA DE MEDIIÓN Se popone un método páctico paa el cálculo de estos valoes, ealizable con una simple medición efectuada con el eflectómeto. Una efeencia claa en la imagen la da el fin del cable, en cotocicuito o a cicuito abieto, po ello, despeciando la atenuación en el cable y sus empalmes, se la considea como tal, es deci xx ( o mm 00 %. Se mide la eflexión en el empalme ( o mm y se la compaa con la efeencia, no debiendo supea el 0 % del pico de la onda eflejada po el final del cable. Ejemplos: En la Fig. 4 se muestan dos cajas de empalme. El tamo obsevado es de 543 m y coesponde al Distibuido Plaza Godoy uz, desde T 96 a T 09. La imagen fue tomada en Abil de 985. La v p / 8,8 m/µs. En este caso el pulso eflejado po el fin del cable es de 8 mm. Las imágenes de las cajas de empalme son el 5 y 0 % de este valo, po lo tanto, según Ecuación (6, no son aptas paa su puesta en sevicio. p 3 p p ( (4 El coeficiente de eflexión de una caja de empalme depende entonces, en gan medida, de su tipo de constucción. Ejemplo : 50 Ω y, * 50 60Ω, entonces 0,09. Según (4, 0,99 p, es deci que la atenuación de p seá de apoximadamente un %. I. PROPUESTA DE LÍMITE DE DESADAPTAIÓN Teniendo en cuenta que no está nomalizado el ensayo de adaptación de impedancias que detemine hasta que valo de desadaptación es posible acepta, y consideando que la páctica así lo demuesta, se popone que el límite máximo aceptable paa considea al cable apto paa su uso es el siguiente: Fig. 4. ajas de empalme con una gan desadaptación de impedancias. En la Fig. 5 se muesta un cable con dos cajas de empalme debidamente adaptadas, que pácticamente no se ven en la imagen. El cuso está sobe la pimea de ellas y la segunda está 0 m antes de la finalización del cable. El tamo coesponde al Distibuido Puntilla, desde T 5 a T 7, es de 443 m. La v p / 80, m/µs. La imagen fue tomada en Octube de 984., (5 Lo que poduce un coeficiente de eflexión

5 II. AGRADEIMIENTOS. El auto agadece al S. ésa oea (hoy jubilado su tabajo como fotógafo pofesional y al S. Maio Avila, quien tiene a cago el Laboatoio Móvil, su colaboación en los ensayos. 5 Fig. 5. Imagen de dos cajas de empalme con una coecta adaptación de impedancias. Paa loga apoba estos ensayos fue necesaia una capacitación adicional al pesonal que tabaja en edes subteáneas. I. ONLUSIÓN Es páctica común ealiza sólo el ensayo de igidez dieléctica antes de pone en sevicio un cable subteáneo que ha sido epaado, peo el esultado del mismo da una visión pacial del estado del cable y sus empalmes, muy útil paa las condiciones nomales de uso. Paa completa la visión, es necesaio ealiza un ensayo de adaptación de impedancias con un eflectómeto convencional, lo que es muy sencillo y ápido. Este ensayo es sumamente útil pues nos indicaá el compotamiento del cable en situación de emegencia, es deci, cuando tenga que conduci una caga miles de veces mayo a la nomal y que ataviesa las cajas de empalmes que tenga. Si éstas han sido debidamente constuidas, y veificadas con los ensayos eflectomético y de igidez, sopotaán pefectamente el paso de esta coiente, sin genea sobe tensiones. El seguimiento de este compotamiento se ealiza desde el año 980. Desde entonces, pácticamente ningún cable con cajas de empalme que haya apobado los Ensayos de Puesta en Sevicio, ha fallado. El beneficio económico y técnico que esto tae apaejado es muy difícil de cuantifica. III. ILIOGRAFÍA Y REFERENIAS [] Asociación Electotécnica Agentina (AEA Reglamentación paa líneas Elécticas Exteioes en Geneal. At. 7 [] IRAM 78 :ables de enegía aislados con dielécticos sólidos extuídos paa tensiones nominales de, k a 33 k. [3] IRAM 60: ables con conductoes de cobe y aluminio, aislados con papel impegnado y vaina metálica. Paa tanspote y distibución de enegía eléctica con tensiones máximas de hasta 36 k. [4] Manual del Reflectómeto con calculado digital alteau RD 5. alteau Ensayeus Electiques. [5] Puliafito, Salvado. Popagación y Radiación de Ondas Electomagnéticas. Pate II. Edición. Editoial Ideaium.985. [6] ampoy, Robeto. Sobetensiones poducidas po inteuptoes automáticos de potencia de 3, k y su efecto sobe los empalmes y teminales de cables subteáneos. [7] Andews, J., Automatic Netwok Measuements in the Time Domain, PRO.IEEE, vol. 66, no. 4, Apil 978, pp [8] ole, R., Time-Domain Spectoscopy of Dielectic Mateials, IEEE Tans. I&M, vol.im5, no.4, Dec.976. IX. IOGRAFÍA Robeto ácees. Nació en Uspallata, Mendoza, Agentina, el 05/0/54. Se gaduó en 980 como Ingenieo en Electónica en la Univesidad Tecnológica Nacional, Mendoza, Agentina. Desde el año 003, es Sub Geente omecial de La oopeativa, Empesa Eléctica de Godoy uz, Mendoza, Agentina, a la que ingesó en 975. Desde 979 y hasta 006, tuvo a cago el Secto Ensayos y Ubicación de Fallas en media y baja tensión. A pati de 980, es esponsable del Áea Mediciones de esta oopeativa. Es Delegado Geneal ante el IRAM (Instituto Agentino de Nomalización y etificación, y miembo del Subcomité de Medidoes Elécticos. Es miembo del IEFIUM, Instituto de Enegía de la Facultad de Ingenieía de la Univesidad de Mendoza, Agentina. Ha publicado vaios tabajos y dictado numeosos cusos efeidos a la medición de la enegía y a calidad de potencia.