Conocimiento de la industria

Cómo la clase de voltaje determina la construcción del cable de alimentación desde adentro hacia afuera

La clasificación de voltaje es el parámetro de diseño más importante para un cable de alimentación e impulsa las decisiones de construcción en cada capa: conductor, aislamiento, blindaje y cubierta. Los cables de alimentación se dividen en términos generales en baja tensión (BT, hasta 1 kV), media tensión (MT, 1 kV a 35 kV) y alta tensión (AT, por encima de 35 kV). Cada paso en la clase de voltaje introduce requisitos de construcción que van mucho más allá del simple aumento del espesor de la pared aislante.

En el nivel de baja tensión, la función de aislamiento primario es evitar el contacto con conductores energizados y soportar los modestos gradientes de campo eléctrico presentes. Las paredes aislantes de PVC y XLPE de 0,7 a 1,0 mm son suficientes para cables con clasificación de 0,6/1 kV. La distribución del campo eléctrico a este voltaje es relativamente uniforme y no se requieren capas de clasificación de campo. Sin embargo, los cables de media tensión operan bajo intensidades de campo eléctrico donde la concentración de campo en las irregularidades de la superficie del conductor (bordes de los hilos, oxidación de la superficie, protuberancias microscópicas) puede iniciar una descarga parcial que erosiona el aislamiento con el tiempo. Esta es la razón por la que los cables de MT requieren una pantalla de conductor: una capa de compuesto semiconductor aplicada directamente sobre el conductor que suaviza el campo eléctrico presentando una superficie equipotencial continua y uniforme al aislamiento. Una pantalla aislante correspondiente en la superficie exterior del aislamiento realiza la misma función en la interfaz aislamiento-protección.

La pantalla de aislamiento en cables de MT debe ser unida (no desprendible) o semi-unida (desprendible) según el método de terminación. Las pantallas que no se pueden quitar requieren herramientas de corte y una técnica cuidadosa en los extremos de los cables para evitar mellar la superficie del aislamiento; Las pantallas desprendibles permiten que la capa semiconductora se despegue limpiamente, pero introducen una interfaz definida que debe gestionarse para evitar la entrada de humedad en el límite entre la pantalla y el aislamiento. En voltajes superiores a 15 kV, la pantalla metálica sobre la pantalla de aislamiento debe transportar toda la corriente de carga capacitiva del cable, lo que se vuelve significativo en tramos de cable largos, un factor que determina la sección transversal del conductor de la pantalla independientemente de cualquier requisito de corriente de falla.

Comparación del aislamiento XLPE y EPR en aplicaciones de cables de alimentación de media tensión

Para media tensión cable de alimentación s, la elección entre aislamiento de polietileno reticulado (XLPE) y caucho de etileno propileno (EPR) es una de las decisiones materiales más importantes y, con frecuencia, se toma basándose únicamente en el precio, lo que conduce constantemente a desajustes de rendimiento en entornos exigentes. Cada material tiene un perfil de rendimiento realmente diferente que se adapta a condiciones de aplicación específicas.

La diferencia más significativa en la práctica entre los dos materiales es la resistencia al agua de los árboles. Los árboles acuáticos son canales de degradación dendrítica que se propagan a través del aislamiento a base de polietileno en presencia de humedad y tensión de campo eléctrico de CA. El XLPE estándar es susceptible a la acumulación de agua durante períodos de servicio de 10 a 20 años en instalaciones húmedas o enterradas directamente. Los compuestos XLPE retardantes de árboles (TR-XLPE) con aditivos que inhiben la iniciación de los árboles están disponibles y se usan ampliamente en cables de distribución de servicios públicos, pero agregan costos y requieren que el fabricante obtenga y califique formulaciones de compuestos específicos. El EPR, al ser un compuesto de caucho con una estructura molecular y características de permeabilidad a la humedad fundamentalmente diferentes, es inherentemente resistente al agua sin aditivos adicionales. Para cables instalados en enterramiento directo, conductos inundados o aplicaciones submarinas, la resistencia a la humedad del EPR lo convierte en la opción técnicamente correcta independientemente del sobreprecio.

La constante dieléctrica más baja del XLPE le da una ventaja en la eficiencia de transmisión sobre largos tramos de cable a media y alta tensión, porque la corriente de carga capacitiva, que fluye incluso cuando no hay carga conectada, es proporcional a la constante dieléctrica. En sistemas de cable donde la corriente de carga representa una fracción significativa de la ampacidad térmica del cable (normalmente cables de más de 10 a 15 km a 33 kV), el εr más bajo de XLPE se traduce directamente en capacidad de carga utilizable.

Selección de armadura para cables de alimentación: comparación de alambre de acero, cinta de acero y alambre de aluminio

Se requiere protección mecánica mediante armadura siempre que un cable de alimentación deba resistir tensiones de instalación: tensión de tracción, compresión por relleno, impacto de maquinaria de excavación o presión de cables que descansan sobre estructuras de soporte en tramos largos. La elección del tipo de armadura afecta no sólo el rendimiento mecánico sino también el comportamiento eléctrico de CA del cable, el peso y la resistencia a la corrosión de maneras que con frecuencia se pasan por alto en la etapa de especificación.

Armadura de alambre de acero (SWA)

La armadura de alambre de acero consiste en alambres individuales de acero galvanizado o inoxidable aplicados helicoidalmente sobre una capa de lecho debajo de la cubierta exterior. SWA proporciona la resistencia a la tracción más alta de cualquier tipo de armadura, lo que lo convierte en la opción correcta para cables sujetos a fuerzas de tracción axial significativas durante la instalación, como cables tirados a través de conductos a lo largo de largas distancias o cables submarinos sujetos a tensión de instalación. El número y el diámetro de los cables se seleccionan para lograr una carga de rotura objetivo; para cables eléctricos grandes, se pueden lograr cargas de rotura SWA de 50 a 200 kN. Sin embargo, la armadura de alambre de acero en los cables de alimentación de CA de un solo núcleo crea un importante mecanismo de pérdida magnética: la armadura forma un circuito magnético cerrado alrededor del conductor que transporta corriente, y las corrientes inducidas en los cables de la armadura generan calor. En cables unipolares, las pérdidas SWA pueden alcanzar entre el 30% y el 50% de las pérdidas del conductor, lo que reduce gravemente la ampacidad efectiva. Por este motivo, los cables de CA unipolares con una sección transversal de aproximadamente 70 mm² deben utilizar armadura de alambre de aluminio (AWA) en lugar de acero.

Armadura de cinta de acero (STA)

La armadura de cinta de acero utiliza dos cintas de acero superpuestas aplicadas en direcciones opuestas para proporcionar resistencia a la compresión radial y protección contra fuerzas de aplastamiento. STA es más liviano que SWA y más económico, pero proporciona una resistencia a la tracción mínima; no está clasificado para instalación con tracción y se abrirá bajo carga axial. STA es apropiado para cables enterrados directamente en terrenos estables donde la principal preocupación es la protección mecánica contra impactos incidentales y ataques de roedores, pero donde no se prevé una tensión de tracción significativa. La construcción de cinta sobre cinta también proporciona una cobertura menos uniforme que la armadura de alambre, dejando espacios helicoidales entre las capas de cinta donde puede penetrar la fuerza de impacto enfocada.

Armadura de alambre de aluminio (AWA)

La armadura de alambre de aluminio es mecánicamente equivalente al SWA en cuanto a rendimiento de tracción (con diámetros de alambre ligeramente mayores para compensar la menor resistencia a la tracción del aluminio) pero elimina el problema de pérdida magnética en los cables de CA de un solo núcleo. Debido a que el aluminio no es magnético, el AWA no forma un circuito magnético alrededor del conductor y no genera pérdidas de corriente inducida significativas. AWA también es significativamente más liviano que SWA (la densidad del aluminio es aproximadamente un tercio de la del acero), lo que reduce el peso de la instalación y el esfuerzo de tirar del cable en instalaciones grandes. La contrapartida es la resistencia a la corrosión en entornos de suelo químicamente agresivos: la armadura de aluminio requiere un lecho robusto y una protección superior en suelos ácidos o áreas con actividad electroquímica, donde la corrosión galvánica entre la armadura de aluminio y cualquier estructura de acero en contacto puede causar una degradación acelerada de la armadura.

Clasificación de corriente de cortocircuito: qué significa y cómo se calcula para los cables de alimentación

Cada cable de alimentación tiene dos clasificaciones de corriente distintas que deben cumplirse en cualquier instalación: la clasificación de corriente continua (ampacidad) para funcionamiento normal y la clasificación de corriente de cortocircuito para condiciones de falla. La clasificación de cortocircuito suele estar ausente en los procesos de selección de cables simplificados; sin embargo, un cable que no puede sobrevivir a la posible corriente de falla en su punto de instalación puede quemarse y causar incendio, daños al equipo y riesgos para el personal en el primer evento de falla.

La clasificación de corriente de cortocircuito se calcula basándose en el supuesto de calentamiento adiabático: durante la corta duración de la falla (normalmente de 0,1 a 3 segundos antes de que los dispositivos de protección solucionen la falla), esencialmente toda la energía de la falla calienta el conductor porque no hay tiempo suficiente para una transferencia significativa de calor al aislamiento o al medio circundante. La ecuación de aumento de temperatura adiabático relaciona la corriente de cortocircuito permitida (I), la sección transversal del conductor (S), la duración de la falla (t) y las constantes del material del conductor:

La temperatura máxima permitida del conductor durante una falla está limitada por el material de aislamiento: XLPE y EPR permiten una temperatura máxima del conductor de cortocircuito de 250 °C (a partir de una temperatura inicial en funcionamiento continuo máximo de 90 °C), mientras que los cables aislados con PVC están limitados a 160 °C o 140 °C dependiendo de la sección transversal del conductor. Estos límites existen porque excederlos causa daños irreversibles en el aislamiento (fusión, carbonización o pérdida de integridad mecánica) incluso si el conductor sobrevive. Las normas IEC 60364-5-54 e IEC 60949 proporcionan las constantes específicas para conductores de cobre y aluminio con diferentes sistemas de aislamiento.

Un aspecto crítico y comúnmente pasado por alto de la clasificación de cortocircuito es que debe verificarse con la máxima corriente de falla posible en el punto de instalación del cable, no en el punto de suministro. La posible corriente de falla disminuye con la distancia desde la fuente debido a la impedancia de los cables y transformadores que intervienen. Un cable a 200 metros de un transformador verá una corriente de falla más baja que un cable en los terminales del transformador, lo que permitirá una sección transversal más pequeña para cumplir con el requisito de cortocircuito en la ubicación más remota. Realizar este cálculo en cada segmento de cable en lugar de aplicar un único valor conservador en todo el sistema puede reducir significativamente los requisitos de sección transversal del conductor y el costo general de instalación.

Cables de alimentación retardantes de llama libres de halógenos: dónde se requieren y qué prueban realmente los estándares

Las especificaciones de cables libres de halógenos y retardantes de llama sin halógenos (HFFR) o libres de halógenos con bajo contenido de humo (LSHF/LS0H) se han vuelto cada vez más comunes en proyectos de construcción e infraestructura, pero la especificación a menudo se aplica sin una comprensión completa de qué miden las pruebas detrás de la designación y qué no miden.

Los cables estándar aislados con PVC, cuando se queman, liberan gas cloruro de hidrógeno (HCl) a medida que el cloro del compuesto de PVC reacciona con los productos de la combustión. El HCl es corrosivo y daña los equipos electrónicos incluso en concentraciones muy inferiores a las tóxicas para los humanos. En espacios cerrados (túneles, barcos, centros de datos, sistemas de transporte subterráneo), el HCl liberado al quemar cables puede destruir los sistemas electrónicos en todo el espacio y hacer que el medio ambiente sea corrosivo durante meses después de un incendio. Los compuestos HFFR reemplazan el PVC con materiales a base de poliolefina que contienen cargas retardantes de llama de hidróxido metálico (generalmente trihidrato de aluminio o hidróxido de magnesio), que liberan vapor de agua cuando se calientan y enfrían la zona de combustión sin producir gases ácidos.

Los estándares clave que rigen el rendimiento del cable HFFR incluyen:

• IEC 60332-1 (propagación de llama con un solo cable): Comprueba si un solo cable se apaga solo cuando se aplica una llama definida durante 60 segundos. Este es un umbral mínimo que pueden superar prácticamente todos los cables con algún contenido retardante de llama. Pasar esta prueba no indica rendimiento en una instalación real con cables agrupados.
• IEC 60332-3 (Propagación de llamas por cables agrupados - Categorías A, B, C, D): Prueba un haz de cables instalados en una bandeja de escalera bajo una llama definida durante 20 minutos. La categoría A representa el mayor volumen de cable instalado (7 litros por metro) y es la más exigente. Pasar la categoría A IEC 60332-3 es un indicador significativo del rendimiento de propagación de llamas en instalaciones reales de bandejas portacables.
• IEC 60754-1 y -2 (Contenido de halógenos): Prueba la emisión de gases ácidos y el pH de los gases de combustión. Un cable que cumple con IEC 60754-2 tiene un pH superior a 4,3 y una conductividad inferior a 10 μS/mm en la prueba de combustión, lo que confirma un bajo contenido de halógenos. Esta es la prueba que distingue al HFFR de los cables estándar de PVC retardantes de llama.
• IEC 61034 (Densidad del humo): Mide la transmitancia de luz a través del humo de una muestra de cable en llamas en una cámara de prueba de 3 m × 3 m × 3 m. Una transmitancia mínima del 60% es el umbral para la designación de bajo nivel de humo, relevante para la visibilidad de evacuación en incendios de edificios.

Un matiz importante es que "retardante de llama" y "libre de halógenos" son propiedades independientes que pueden combinarse o no en un cable determinado. Un cable puede estar libre de halógenos sin ser especialmente ignífugo (poliolefina pura sin rellenos ignífugos), o ignífugo sin estar libre de halógenos (FR-PVC estándar). Especificar LSHF o HFFR requiere ambas propiedades simultáneamente, y el documento de adquisición debe hacer referencia a los estándares de prueba IEC específicos que deben aprobarse en lugar de depender únicamente del etiquetado, ya que estos términos no se definen de manera uniforme en todos los mercados.

Diseño de cable de alimentación personalizado: traducción de los requisitos de la aplicación en especificaciones de construcción

La adquisición de cables de alimentación personalizados comienza con una definición de requisitos que va mucho más allá de especificar la tensión nominal y la sección transversal del conductor. Un cable de alimentación personalizado correctamente especificado cubre seis grupos de parámetros interdependientes, cada uno de los cuales limita el espacio de diseño disponible para el fabricante:

• Parámetros eléctricos: Voltaje del sistema (U0/U), corriente continua máxima en las condiciones de instalación previstas (no ampacidad al aire libre), corriente de cortocircuito potencial y tiempo de eliminación de fallas, y cualquier restricción de calidad de la energía, como el contenido de armónicos que afecta el tamaño del neutro.
• Condiciones de instalación mecánica: Método de instalación (enterramiento directo, conducto, bandeja portacables, aérea, submarina), tensión de tracción durante la instalación, radio de curvatura mínimo, si el cable experimentará movimiento continuo después de la instalación y cualquier restricción de peso o diámetro impuesta por las proporciones de llenado del conducto o los límites de carga de la bandeja portacables.
• Exposición ambiental: Rango de temperatura ambiente, humedad y exposición al agua, duración e intensidad de la exposición a los rayos UV, contacto químico (enumere sustancias específicas), resistividad del suelo para cables enterrados (que afecta tanto a los requisitos de ampacidad como de protección contra la corrosión) y si se requiere protección contra ataques de roedores.
• Requisitos de comportamiento ante incendios: Si la instalación requiere limitación de la propagación de llamas (categoría IEC 60332), integridad del circuito bajo fuego (IEC 60331, para cables que deben continuar funcionando durante un incendio, como alimentaciones de energía de emergencia), limitación de gases ácidos (IEC 60754) o limitación de la densidad del humo (IEC 61034).
• Requisitos reglamentarios y de certificación: Qué estándares nacionales o regionales debe cumplir el cable (IEC, BS, UL, CSA, GB/T) y si se requiere certificación de terceros de un centro de pruebas reconocido para la construcción específica solicitada en lugar de para un cable de referencia similar.
• Expectativa de vida útil: La vida útil del diseño de 20, 30 o 40 años afecta la selección del material de aislamiento (tasa de envejecimiento térmico XLPE versus EPR) y el nivel de pruebas de envejecimiento acelerado requerido para validar el diseño. Los cables para aplicaciones de infraestructura suelen tener una vida útil de 40 años, lo que requiere datos genealógicos del material aislante que demuestren estabilidad térmica a largo plazo.

Cuando se definen los seis grupos de parámetros, el fabricante puede desarrollar una construcción que satisfaga cada restricción sin sobredimensionar ningún elemento individual. Las especificaciones excesivas en un área y las especificaciones insuficientes en otra son un error común en la adquisición de cables personalizados: un comprador que especifica un blindaje para una resistencia máxima a la tracción pero omite el entorno de exposición química puede recibir un cable blindado de acero que se corroe en un plazo de tres años en un suelo industrial ácido, a pesar de cumplir con todas las especificaciones establecidas.

Métodos de unión de pantallas en cables de alimentación de media tensión y su efecto sobre las pérdidas y la seguridad

La pantalla o funda metálica de un cable de alimentación de media tensión tiene dos propósitos: proporciona una ruta de retorno para la corriente de carga capacitiva y la corriente de falla, y limita el campo eléctrico fuera del cable a casi cero, protegiendo al personal y al equipo adyacente. La forma en que se une la pantalla en las terminaciones y uniones de los cables (el método de unión de la pantalla) tiene un efecto importante y frecuentemente subestimado en la generación de calor, la ampacidad y la seguridad del personal del sistema de cables.

En un sistema conectado de un solo punto, la pantalla del cable está conectada a tierra en un solo extremo, dejando el extremo opuesto flotante (o conectado a tierra a través de un dispositivo de protección contra sobretensiones). Esto evita que las corrientes circulantes fluyan a través de la pantalla (la fuente principal de pérdidas de pantalla en sistemas sólidamente unidos) y puede aumentar la ampacidad del cable entre un 10 y un 30 % en comparación con la unión sólida, porque se eliminan las pérdidas I²R en la pantalla. La desventaja es que el voltaje se acumula a lo largo de la pantalla desde el extremo conectado a tierra hasta el extremo no conectado a tierra bajo carga normal. Este "voltaje de cubierta inducido" aumenta con la longitud del cable, la corriente de carga y el espacio entre fases, y debe calcularse para verificar que permanezca dentro de los límites seguros para el personal que podría entrar en contacto con el extremo de la pantalla sin conexión a tierra durante la operación en vivo. Para sistemas de cables largos, el voltaje inducido en el extremo abierto puede alcanzar cientos de voltios a plena carga, lo que requiere una gestión cuidadosa de la accesibilidad del extremo de la pantalla y el uso de limitadores de sobrevoltaje para evitar la sobretensión durante los transitorios de conmutación o condiciones de falla.

La unión cruzada se utiliza en sistemas de cables largos divididos en tres secciones menores aproximadamente iguales. Las pantallas de las tres fases del cable se transponen en cada unión de sección menor (la pantalla de la fase A se conecta a la pantalla de la fase B, la fase B a la fase C, la fase C a la fase A) de modo que en tres secciones menores, cada pantalla vea un tercio de una contribución de voltaje de secuencia positiva de cada fase. Si las secciones tienen la misma longitud, los voltajes inducidos en los tres segmentos de la pantalla se cancelan casi por completo, lo que resulta en una corriente de pantalla circulante cercana a cero y un voltaje inducido cercano a cero en los extremos de la sección principal. La unión cruzada combina la ventaja de las bajas pérdidas de la unión de un solo punto con la ventaja de bajo voltaje permanente de la unión sólida, lo que lo convierte en el método preferido para circuitos de cable de más de aproximadamente 500 metros a 11 kV y superiores. Requiere una mayor complejidad de instalación (seis conexiones de pantalla en cada junta en lugar de una) y una cuidadosa igualación de la longitud de la sección durante el diseño.