AÉREAS Y SUBTERRÁNEAS

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La invención se relaciona con la operación en líneas de distribución de energía eléctrica, en particular con cables de media tensión cuya configuración permite su implementación en instalaciones eléctricas aéreas y subterráneas, logrando mejorar el desempeño de una línea de distribución y favoreciendo su interacción con el medio ambiente.

ANTECEDENTES

La red de distribución de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a través de grandes distancias la energía generada en las centrales eléctricas. Dicha red está conformada por líneas eléctricas (aéreas o subterráneas), líneas de distribución primarias y secundarias, transformadores, entre otros elementos.

Dependiendo del nivel de tensión, existen diferentes tipos de líneas de distribución eléctrica: baja, media y alta tensión, donde las líneas de distribución en media tensión constituyen un paso intermedio para llevar la energía eléctrica generada en las plantas eléctricas hasta su destino final que es el usuario, lo anterior mediante una serie de pasos que incluyen la transformación de la energía por medio de transformadores de distribución, y que permiten reducir el voltaje al nivel adecuado para cada usuario.

Ahora bien, toda red de distribución eléctrica debe tener como objetivo final asegurar la calidad y continuidad del servicio a los usuarios, evitando cortes de energía y solucionando a la mayor brevedad los cortes que eventualmente se produzcan. Sin embargo, en zonas rurales y urbanas es altamente usual la existencia de redes que utilizan conductores desnudos, caso en el cual el aislamiento de las fases está suministrado simplemente por el aire y por los aisladores sobre los cuales se apoyan o suspenden dichos conductores desnudos, conllevando a una alta frecuencia en las salidas forzadas o interrupciones del servicio debido a la caída de ramas de árboles, animales o cualquier otro elemento sobre la red de distribución, así como también a fallas en el aislamiento de los aisladores o al cruce de líneas como consecuencia de distensionamientos por acción del viento.

Sumado a lo anterior, la implementación de redes de distribución empleando conductores desnudos en zonas densamente arborizadas o con una gran cantidad de obras civiles genera un impacto ambiental de gran cuantía debido a la necesidad de podar los árboles frecuentemente, y un peligro constante para los usuarios al tener un conductor eléctrico desnudo electrificado cerca de las ventanas o azoteas de sus viviendas. Así mismo, la necesidad de un distanciamiento mínimo entre las fases de la red de distribución eléctrica cuando se utilizan conductores desnudos genera un impacto visual elevado en ambientes urbanos y rurales.

Debido a los serios inconvenientes con los cables desnudos, desde hace algo más de dos décadas se vienen utilizando en las redes de distribución eléctrica cables semiaislados o cubiertos, los cuales están conformados por un conductor de configuración básica en aluminio junto con una serie de capas de cubrimiento, y donde las principales ventajas obtenidas con su uso consisten en que se disminuye sustancialmente la distancia requerida entre las fases, permitiendo que la red sea más compacta y sea posible la instalación de uno o varios circuitos en el mismo poste.

Sin embargo, para efectos de seguridad durante su instalación en zonas altamente arborizadas o muy cercanas a las viviendas, el cable cubierto debe tratarse como un cable desnudo, y sí bien en las zonas donde es instalado se presenta una disminución en el número de podas requeridas, dicha actividad debe seguir realizándose con una cierta periodicidad. Así mismo, éste tipo de cables presentan fallas frecuentes en zonas con alta contaminación industrial o salina y en áreas densamente arborizadas o con marcada presencia de animales (aves, reptiles, entre otros).

De otro lado, existen las redes de distribución aéreas compactas, definidas como tendidos de energía eléctrica que utilizan cables protegidos -no aislados- con capas de aluminio compacto, bloqueadores de humedad y capas semiconductoras extruidas, y donde los cables son separados con espaciadores romboidales y son sostenidos en el aire mediante un cable de acero portante, galvanizado y de alta resistencia.

Desafortunadamente, la instalación de los espaciadores en determinadas zonas (barrancas, ríos, lagos, entre otros) presenta un alto grado de dificultad. Así mismo, el costo de instalación y mantenimiento de éste tipo de redes es muy costoso (entre un 30% y un 40% más elevado que la construcción de un sistema de línea desnuda), pues el reemplazo de alguna de las líneas es muy complejo debido a que deben desinstalarse todos los espaciadores ubicados en el tramo de línea a reemplazar.

Visto lo anterior es claro que en el estado de la técnica persistía la necesidad de un cable cuyas características técnicas permitieran mejorar los índices de desempeño de una línea de distribución eléctrica (tasa de salidas forzadas y duración de las mismas), favoreciendo su interacción con el medió ambiente y brindando mayor seguridad a los usuarios y al personal encargado de su instalación y mantenimiento.

BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Ahora bien, con base en las enseñanzas del estado de la técnica anterior y teniendo en cuenta el diseño de los distintos cables de media tensión hasta ahora conocidos, el solicitante de la invención en cuestión consideró que una manera novedosa, eficiente, segura y económica de llevar a cabo la distribución de energía eléctrica es a través de un cable que permita la construcción de una red trenzada de media tensión para instalaciones eléctricas aéreas y subterráneas, esto es, mediante una red que permita reducir sustancialmente las distancias de seguridad requeridas entre las fases, las distancias mínimas de aislamiento entre la red y los parámetros de las construcciones exigidas por las normas técnicas, y que pueda instalarse tanto aérea como subterráneamente.

En éste sentido, el solicitante desarrolló un cable aislado tipo cuádruplex, esto es, un cable conformado por tres fases aisladas y cableadas entre sí con un neutro portante, donde:

• Cada fase aislada está conformada por un conductor eléctrico, un material de aislamiento cuyo espesor está determinado a partir del concepto de gradiente de tensión, uno o más elementos bloqueadores de humedad, una o más capas semiconductoras estándar, una pantalla metálica, y una cubierta o chaqueta; y,

• El neutro portante se encarga de soportar mecánicamente el conjunto de las tres fases aisladas, así como de soportar las corrientes de corto circuito que se presenten en el sistema al cual está conectado.

En efecto, contrario al diseño estándar de cables de media tensión ya conocido en el estado de la técnica anterior, en la presente invención se aplica el concepto de diseño de espesor del aislamiento por el método del gradiente con el fin de lograr la geometría y el peso que requiere una aplicación aérea. Por su parte, el apantallamiento metálico se selecciona de manera que cumpla con todos los requisitos eléctricos y mecánicos, pero logrando minimizar sus dimensiones y su peso. Finalmente, el material de la chaqueta externa y su proceso de aplicación de acuerdo con la presente invención permite proporcionar un encapsulamiento hermético a la humedad, a la vez que le imprime la característica de resistencia al impacto (caída del cable al suelo desde su sitio original de instalación) y de protección contra rayos UV.

La configuración revelada en la presente invención permite que las fases aisladas estén a la menor distancia posible, eliminando o al menos disminuyendo drásticamente las salidas forzadas o interrupciones del servicio como consecuencia de instalaciones eléctricas aéreas de media tensión ubicadas en zonas altamente arborizadas o con viviendas cercanas a la línea, así como también disminuyendo el riesgo de las personas y haciendo que la infraestructura eléctrica sea compatible con el medio ambiente. Adicionalmente, dicha configuración permite lograr una configuración estética del cableado radicalmente superior a lo actualmente utilizado en campo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Las FIGURAS 1a, 1b, 1c y 1d corresponden a diferentes vistas de una red de distribución de energía de conformidad con el estado dé la técnica anterior;

La FIGURA 2 es una vista esquemática del cable de media tensión para instalaciones eléctricas aéreas y subterráneas de conformidad con la presente invención;

Las FIGURAS 3a, 3b y 3c corresponden a diferentes vistas de una red de distribución de energía que emplea el cable de media tensión de conformidad con la presente invención; y,

La FIGURA 4 corresponde a una gráfica que muestra el gradiente de tensión para un cable de 15 kV calibre 4/0 AWG en función de la distancia a la primera capa semiconductora.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Haciendo referencia a la Figura 2, cada una de las fases del cable aislado tipo cuádruplex de media tensión para instalaciones eléctricas aéreas y subterráneas de acuerdo con la presente invención está conformado por un conductor eléctrico (1 ), un elemento de bloqueo de humedad (2), una primera capa semiconductora (3), un aislamiento (4), una segunda capa semiconductora (5), una pantalla metálica (6) y una cubierta o chaqueta (7), mientras que el neutro portante (8) presenta un recubrimiento (9). Con respecto al conductor eléctrico (1 ), si bien es conocido que el cobre es uno de los metales con mayor conductividad volumétrica, es el aluminio el metal con mejor conductividad gravimétrica de la naturaleza, lo cual queda evidenciado en los datos de la Tabla I, la cual fue construida con base en la Norma ASTM B193 "Standard Test Method for Resistivity of Electrical Conductor Materials":

Tabla 1. Comparación de conductividades entre el cobre y el aluminio

En efecto, aunque el cobre es mejor conductor que el aluminio por un factor de 1 .63 desde el punto de vista de consideración volumétrica, el aluminio es dos veces mejor conductor que el cobre desde el punto de vista gravimétrico, lo cual hace que se convierta en el conductor ideal para aplicaciones donde el peso corresponde a una consideración técnica relevante.

Adicionalmente, una consideración adicional para el conductor de aluminio es la optimización de su diseño, caso en el cual el cableado debe ser del tipo compacto, de manera que el diámetro total del conductor desnudo sea mucho menor (aproximadamente un 8%) que un cableado convencional.

Con base en lo anterior, en una modalidad preferida de la invención el conductor eléctrico (1 ) está fabricado en aluminio con un calibre seleccionado entre 70, 95, 120, 150 y 185 mm ² .

Por su parte, el uno o más elementos de bloqueo de humedad (2) que se ubican en los intersticios internos del conductor eléctrico (1 ), corresponden preferiblemente a hilos o fibras que contienen un gel que al contacto con el agua se hinchan e impiden el paso del agua.

De otro lado, las capas semiconductoras (3) y (5) pueden fabricarse en los materiales usualmente empleados para al fin, debido a sus propiedades ampliamente comprobadas. Dichos materiales usualmente empleados son compuestos de polietileno reticulable con alto contenido de negro de humo (Carbón Black), los cuales se caracterizan por actuar como materiales semiconductores eficientes.

Por su parte, el material de aislamiento (4) de acuerdo con la presente invención corresponde preferiblemente a polietileno reticulado cuyo espesor está determinado a partir del concepto de gradiente de tensión, pues teniendo en cuenta que el espesor del material del aislamiento (4) determina en buena medida las dimensiones y el peso del cable, debe encontrarse un espesor de aislamiento lo suficientemente pequeño para minimizar dicho peso, pero sin limitar la capacidad del cable para funcionar correctamente durante su vida útil, en particular considerando las condiciones usuales de instalación, así como las tensiones de operación.

En este sentido resulta de gran importancia mencionar que el gradiente de tensión en un cable de media tensión es el esfuerzo eléctrico al cual se ve sometido el aislamiento cuando el conductor está energizado a una tensión de operación, y donde dicho gradiente de tensión está dado por la siguiente fórmula:

donde:

G: gradiente de tensión en el punto x, x varía entre el diámetro de la primera capa semiconductora y el diámetro del aislamiento.

V: tensión de diseño u operación entre el conductor y la pantalla metálica. D: diámetro sobre el aislamiento d: diámetro sobre la primera capa semiconductora.

Ahora bien, el gradiente de tensión para un cable de 15 kV calibre 4/0 AWG es como se indica en la Figura 4 de la presente invención, donde puede observarse que el máximo gradiente del aislamiento ocurre en la vecindad de la primera capa semiconductora y en este caso es de 2.5 kV/mm,

Inclusive, los avances tecnológicos en la fabricación y procesamiento de los polietilenos reticulables han avanzado hasta el punto en el que hoy en día pueden llegar a obtenerse valores del gradiente del orden de 4 kV/mm en operación continua, sin que ello ocasione pérdida de confiabilidad en el desempeño del cable durante su vida útil.

Por su parte, dada la incidencia en el peso del cable que tiene la pantalla metálica (6), dicho elemento usualmente corresponde a una cinta de cobre traslapada o a alambres de cobre, donde cualquiera de las dos opciones es apropiada debido a que son de peso equivalente y cumplen de forma similar con las funciones electrostáticas requeridas.

Finalmente, la cubierta o chaqueta (7) es fabricada usualmente en polietileno de alta densidad y de alto peso molecular, resistente a la intemperie, de alta resistencia a la abrasión y al impacto, características que resultan especialmente apropiadas para aplicaciones aéreas y subterráneas.

El neutro mensajero o portante (8) cumple con varias funciones primordiales, entre las que se cuentan soportar mecánicamente el conjunto de las tres fases aisladas, así como soportar las corrientes de corto circuito que se presenten en el sistema al cual está conectado. Para lograr tales funciones resulta necesario entonces que dicho neutro mensajero o portante (8) sea resistente a la intemperie, tenga el menor peso posible y esté en capacidad de soportar las corrientes de corto circuito a las que se presenten en el sistema que esté conectado. Visto lo anterior, en una modalidad preferida de la invención el neutro mensajero o portante (8) es un conductor en aleación de aluminio que posee un recubrimiento (9) en polietileno de alta densidad y de alto peso molecular.

Por otra parte, en aún otra modalidad preferida de la invención y con el objeto de proporcionar la flexibilidad requerida en la aplicación subterránea, el neutro mensajero o portante (8) está fabricado en una aleación de aluminio de alta resistencia mecánica, utilizando además una clase de cableado con flexibilidad adecuada, preferiblemente un cable de 19 alambres (en el estado de la técnica usualmente se utilizan cables de 7 alambres).

Aunque ha sido divulgada en detalle para fines ilustrativos una realización particular de la invención, se reconocerá que las variaciones o modificaciones a la realización se encuentran dentro del ámbito de aplicación de la presente invención.