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APUNTES SEGUNDO PARCIAL DE DISTRIBUCION ELECTRICA II
LINEAS SUBTERRANEAS
CONDUCTORES AISLADOS
Muchas de las líneas primarias de distribución del centro de la ciudad y de las ciudadelas residenciales de
alto nivel de vida, están instaladas bajo el nivel del terreno o son subterráneas.
A partir de 1970 los cables conectores, equipos de protección y maquinaria para la instalación y
componentes para líneas subterráneas tuvieron un considerable desarrollo, su instalación se hizo más
sencilla y menos costosa.
ASPECTOS ELÉCTRICOS DE LÍNEAS SUBTERRÁNEAS




Característica del conductor
Impedancia
Amperaje
Otros temas
APLICACIONES
1.
2.
3.
Distribución residencial subterránea
Ramales subterráneos
Lazos abiertos que alimentan urbanizaciones residenciales
Las empresas eléctricas usan construcción subterránea para salidas de las líneas primarias de
subestaciones de distribución, acometidas de transformadores de distribución, cruce de ríos, cruce de
autopistas y cruce de líneas de transmisión.
FACTORES QUE AFECTAN EL COSTO DE LÍNEAS SUBTERRÁNEAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Grado de desarrollo urbanístico del área
Las vías, veredas, tuberías de agua, carreteras, calles, afectan la construcción e incrementan los
costos.
Tipo y condición del suelo
Suelos rocosos, congelados o con aguas superficiales requieren mayor trabajo del personal de
instalación de cables.
Tipo urbano, residencial o rural
Construcción en el centro de la ciudad es más costosa por el tráfico principalmente, construcción
rural es generosamente más barata.
Canalización
El empleo de ductos o tuberías cubiertas con concreto es más costoso que la instalación de
cables pre- ensamblados contenido en tuberías flexibles, que es más cara que el cable
directamente enterrado en el suelo sin tubería.
Tamaño de cables y materiales
El costo actual del cable es relativamente pequeño en comparación con el costo total del sistema
de distribución subterráneo, esto es instalación y equipos
Equipo empleado para la instalación
Equipos cada vez más poderosos y apropiados para los distintos tipos de superficie, facilitan la
instalación subterránea de cables.
1
DISTRIBUCIÓN RESIDENCIAL SUBTERRÁNEA (URD)
Un circuito clásico de distribución residencial subterránea es un lazo abierto alimentado de cada extremo
por un circuito de distribución aéreo. El arreglo de lazo abierto permite a la distribuidora restablecer el
servicio más rápidamente, después que las cuadrillas del personal localizan la sección de cable bajo falla,
se reconfigura el lazo y se aísla la sección de cable bajo falla.
Todos los clientes quedan posteriormente con servicio. La cuadrilla puede posponer el arreglo del cable
hasta el momento más conveniente o cuando llegue el equipo requerido. No toda alimentadora de
distribución primaria es un lazo abierto, algunos ramales son puramente radiales.
LOS TRANSFORMADORES TIPO PADMOUNTED
Reducen el voltaje de media tensión para servir a los clientes y suministran punta de seccionamiento. Las
pistolas (elbow connectors) o codos de conexión (pistol grips) se conectan a los terminales del
transformador para mantener un frente sin partes energizadas o vivas. Para desconectar una sección de
cable simplemente se retira el codo desde el terminal del trafo y se lo coloca en un soporte que sirve para
soportar líneas energizadas.
Codos y otras terminaciones están disponibles para corrientes nominales de 200 y 600A. Codos con
capacidad de desconexión de carga existen para corrientes de 200A. Si el codo no dispone de capacidad
de interrupción de carga, el personal debe desconectar la línea de distribución o retirar el codo.
Los codos son probados para soportar 10 ciclos de corriente de falla, a codos de 200A se les aplica 10KA
y codos de 600A se prueban con 25KA. El punto de interconexión entre un circuito aéreo y uno
subterráneo se realiza en un poste de salida (rise pole, dip pole). Las terminaciones de cable, puntas
terminales, suministran la interface adecuada entre cable aislado y líneas desnudas. Estas terminaciones
evitan sobrevoltajes excesivos en el aislamiento y la entrada de agua en los cables, lo que es crítico para
la confiabilidad del servicio.
En el mismo poste se instalan cajas fusibles del tipo expulsión (cutout) para protección de sobrecorriente.
En circuitos con alta capacidad de corriente de cortocircuito se pueden instalar fusibles limitadores de
corriente (current limited fuses). Para proteger el cable contra descargas de origen atmosféricas, en el
mismo poste se conectan pararrayos (surge arrester) en paralelo con los terminales del cable, empleando
para la conexión, alambre de Cu de la mayor longitud posible. La durabilidad del plástico para cable
aislado con polietileno se asume una vida útil de 30 años de instalado. Las líneas primarias de
distribución se las ubica en veredas, frente a los lotes, viviendas.
ALIMENTADORAS PRINCIPALES O TRONCALES
Para incrementar la confiabilidad, las troncales de las líneas de distribución bajo tierra son del tipo de lazo
abierto con varios puntos de interconexión con otras alimentadoras. Se emplean gabinetes de conexión o
cajas de unión (junction boxes), las que sirven como puntos de interconexión de ramales y acometidas de
media tensión. Estos elementos pueden estar en bóvedas o dentro del gabinete de los tafos o en pedestales
sobre el terreno. También se pueden instalar circuitos de distribución subterráneo trifásicos con
configuraciones similares a las líneas de distribución residencial con tramos de cables conectados entre
trafos trifásicos. Los trafos padmounted sirven como punta de seccionamiento. Muchas de las S/E de
distribución tienen salidas subterráneas de primarios en media tensión. Para reducir el riesgo de falla en
salidas subterráneas, las mismas se protegen con ductos de concreto, se dejan cables de repuestos, se
sobredimensionan los cables y se instala una buena protección contra sobrevoltaje.
Las distribuidoras emplean las mismas especificaciones técnicas para salidas de S/E de distribución que
para cables subterráneos que cruzan avenidas o autopistas de alto tráfico, ríos.
2
SISTEMAS BAJO TIERRA EN EL CENTRO DE LA CIUDAD
Los cables en general son protegidos por un banco de ductos cubiertos con concreto, instalados bajo las
calles y aceras. Cada banco de ducto posee de 4 a 9 ductos. Pueden ser prefabricados de concreto o de
PVC. El banco de ductos puede llevar, en distintos ductos cables primarios y secundarios. A lo largo de la
ruta de la línea subterránea se construye cajas de revisión para poder alcanzar los cables.
LÍNEAS AÉREAS VS SUBTERRÁNEAS
Ambos tipos de diseño tienen ventajas, la mayor ventaja de circuitos aéreos es su menor costo. Un
circuito subterráneo puede llegar a costar hasta el triple de un circuito aéreo. Sin embargo, la comparación
integral a largo plazo de costos tan diversos de los dos tipos de sistemas, incluyendo costos de operación
y costos de instalación es muy complicada. En áreas del centro de la ciudad, en que se requieren muchos
circuitos primarios y secundarios es casi la única opción, además debido a la escasez y al costo elevado de
espacio sobre tierra. En aplicaciones rurales el costo de circuitos subterráneos es difícil de justificar
debido a lo largo de los circuitos.
Los circuitos subterráneos son más confiables. Circuitos aéreos en promedio fallan cerca de 90 veces/ 100
millas/ año, circuitos subterráneos fallan menos que 10 veces/ 100 millas/ año. La desventaja de circuitos
subterráneos es que es difícil detectar el punto de falla en cables, reparar daños, o reemplazar el equipo
bajo falla. Esto puede ser parcialmente superado utilizando lazos abiertos capaces de suministrar servicio
a los clientes desde dos alimentadoras, con el uso de tubería, para facilitar el reemplazo de cable y el
empleo de mejores equipos y técnicas de detección de fallas. Los circuitos subterráneos tienen menor
capacidad de sobrecarga que los equipos aéreos desnudos.
Los circuitos subterráneos son mucho menos afectados por los fenómenos naturales, descargas
atmosféricas, viento, etc. El costo de mantenimiento promedio anual de los sistemas de distribución
subterráneo es el 2% de la inversión en líneas y equipos, para sistemas aéreos esta entre el 3% y 4%. Los
sistemas aéreos están más expuestos al público, animales, maquinaria pesada.
En la práctica, las líneas de distribución son de construcción mixta, con combinaciones de secciones
aéreas y subterráneas como las siguientes:
1.
Troncales aéreas con ramales subterráneas
Los conductores que transportan mayores corrientes ubicadas en las troncales, son aéreas. Los equipos
mayores como reguladores, bancos de capacitores son ubicados en líneas aéreas.
2.
Primarios aéreos (MT) con secundarios subterráneos (LT)
Los secundarios subterráneos reducen la congestión de las líneas aéreas. Los costos en este caso son
reducidos porque el equipo de media tensión es aéreo.
3
CABLES AISLADOS
En el centro del cable se encuentra ubicado el conductor de fase, sobre el mismo una pantalla
semiconductora, luego el aislamiento propiamente dicho, una pantalla semiconductora del aislamiento, el
neutro o pantalla, y finalmente la chaqueta.

Cable concéntrico del neutro: normalmente empleado para distribución subterránea
residencial. Tiene conductor de aluminio y un neutro concéntrico, compuesto de varios alambres
de cobre arrollados concéntricamente alrededor del aislamiento. El neutro concéntrico hace las
funciones de verdaderos neutros que conducen la corriente de retorno Ir en sistemas aterrizados.

Cable de poder: tiene conductores de fase bien sea de cobre o aluminio y normalmente una
pantalla de cinta de cobre. En circuitos de distribución los cables de poder son utilizados en
troncales de alimentadoras, alimentadoras en red y otros tipos de circuitos trifásicos de alta
corriente.

Existen otros tipos de cables de medio voltaje aplicables a circuitos de distribución, tales como
cables de potencia trifásicos, cables resistentes al fuego, cables submarinos, cables
extraflexibles.
AISLAMIENTO ELECTRICO DEL CABLE
El aislamiento del cable le permite soportar alto voltaje. El aislamiento de polímero de un cable de un
grosor de 4.5mm es capaz de soportar cerca de 8KV continuamente, esto es 20KV por cm. Además de
soportar altos voltajes, el aislamiento debe aguantar altas temperaturas durante sobrecarga y cortocircuito;
además debe ser lo suficientemente flexible para permitir su instalación.
A partir de 1970, las empresas distribuidoras comenzaron a emplear cables aislados con polímeros entre
los que se destaca los siguientes:




Polietileno de alto peso molecular (HMWPE)
Polietileno de enlace cruzado (XLPE)
Polietileno de desarrollo tardío de árboles (TRXLPE)
Caucho etileno Propileno (EPR)
Constante dieléctrica
También denominada permitividad. Esta determina la capacitancia eléctrica del cable. La constante
dieléctrica es la razón de la capacitancia embutida con material aislante para la capacitancia de la misma
configuración física de espacio libre. Cables con mayor capacitancia absorben más corriente capacitiva
(charging current) en atraso.
Resistividad del aislamiento por unidad de volumen ρ
Permite circular corriente de fuga resistiva (leakage current) a través de ella. La resistividad disminuye
con el incremento de la temperatura. El aislamiento moderno tiene tan alta resistividad que muy pequeñas
corrientes de fuga resistivas pasan a través del mismo.
Pérdidas dieléctricas (dielectric losses)
De igual manera que en un capacitor real, el cable provoca pérdidas dieléctricas. Estas pérdidas se deben
al movimiento de los dipolos dentro de los polímeros o por movimiento de los transportadores de carga
dentro del aislamiento. Las pérdidas dieléctricas contribuyen con la corriente de fuga resistiva. Las
pérdidas dieléctricas aumentan con la frecuencia y la temperatura, así como con el voltaje de operación.
4
Factor de disipación
También denominado ángulo de pérdida, Tg(δ) y factor de potencia aproximado. El factor de disipación
es la razón de la corriente resistiva absorbida por el cable y la corriente capacitiva. Debido a que la
corriente de fuga es normalmente baja, el factor de disipación es aproximadamente igual al factor de
potencia.
MATERIALES DE AISLAMIENTO MODERNOS
1.
Polietileno
El polietileno es un polímero fuerte y barato con buenas propiedades eléctricas. El polietileno es un
polímero etileno. En el polietileno, algunas de las cadenas de polímeros se alinean en regiones cristalinas
las cuales le dan fortaleza y resistencia a la humedad.
Otras regiones tienen cadena de polímeros no alineadas, denominadas regiones amorfas, las que le dan
flexibilidad, pero son permeables a los vapores y a la humedad y es donde se localizan sus impurezas. La
temperatura de operación del polietileno es 75 ºC.
El polietileno es termoplástico, cuando se lo calienta se suaviza y las regiones cristalinas el polímero se
rompen, llegando a ser completamente amorfas, cuando se enfrían las regiones cristalinas se restablecen.
El polietileno tiene naturalmente alta densidad y excelentes propiedades eléctricas, con resistividad ρ
mayor a 1014 Ω-m, y una resistencia de impulso sobre los 2700 voltios/ mil.
2.
Polietileno de alto peso molecular (HMWPE)
Es más fuerte, más rígido y más resistente al ataque de químicos que el polietileno estándar. Además tiene
mejores propiedades eléctricas debido al mayor peso molecular de sus largas cadenas. Es un
termoplástico con temperatura nominal de 75 ºC. El polietileno se suaviza considerablemente a medida
que la temperatura se incrementa. Su resistencia eléctrica se degrada electromecánicamente.
3.
Polietileno de enlaces cruzados (XLPE)
Agentes de enlaces cruzados son agregados para formar uniones o enlaces entre cadenas de polímeros.
Los enlaces cruzados convierten al XLPE en semicristalino y le agregan rigidez. Es termo establecido
(thermo set), lo que significa que es material vulcanizado o “curado” creando enlaces cruzados
irreversibles cuando el material se enfría. Tiene aproximadamente las mismas características eléctricas
que el polietileno, es más rígido y resistente más al agua que este ultimo. Temperatura= 90 ºC bajo
condiciones normales y 130 ºC para condiciones de emergencia o sobrecarga.
4.
Polietileno de enlace cruzado con retardo de árboles (TR- XLPE)
Varios compuestos se han añadido al XLPE para reducir su tendencia a sufrir de arboles de agua. Estos
aditivos reducen ligeramente sus propiedades eléctricas, incrementan sus pérdidas dieléctricas y reducen
su resistencia de aislamiento inicial, pero muestran mejores capacidades de aislamiento con el paso del
tiempo. Este tipo de aislamiento TR- XLPE ha reemplazado al XLPE estándar en media tensión. Existen
varios tipos de TR- XLPE, el más usado es HFDA 4202 de UNION CARBIDE DOW.
5
5.
Caucho de etileno – propileno (EPR)
Este aislamiento es termoestable, luego de ser curado con vapor a alta temperatura. Cuando es nuevo el
EPR solamente tiene la mitad de resistencia de aislamiento que el XLPE, pero a medida que envejece su
resistencia de aislamiento no decrece tan rápido como la de este último. El EPR es naturalmente resistente
a arboles de agua y aunque es suave, se comporta adecuadamente con el incremento de temperatura. El
aislamiento EPR tiene una temperatura nominal de hasta 105 ºC bajo condiciones normales y 140 ºC para
condiciones de emergencia o sobrecarga. El EPR tiene pérdidas dieléctricas superiores al XLPE. El EPR
además de su uso como aislante de cable se lo emplea para construir uniones o conectores para cables
aislados. El EPR es más costoso y tiene mayores pérdidas de potencia que el TR-XLPE, sin embargo es
más suave, fácil de instalar y mayor temperatura inicial.
NIVELES DE AISLAMIENTO
Los voltajes nominales de cable, aunque sean monofásicos, se expresan en base de voltajes de línea a
línea. Los voltajes nominales de clase de los cables son 5, 8, 15, 25 y 35KV.
Un circuito monofásico con un voltaje nominal de 7200V de línea a tierra debe usar cable de clase 15KV,
no de clase 8KV. Dentro de cada clase de voltaje nominal de cable existen varios grosores de aislamiento
disponible. Los estándares especifican 3 niveles de aislamiento de cable, dependiendo de cómo los
mismos son aplicados.
Los principales factores para la aplicación del grosor son:
El aterrizamiento y la habilidad del sistema para despejar una falla de línea a tierra, a fin de limitar el
sobrevoltaje de las fases sanas, los tres niveles de aislamiento estándares son:
1.
Nivel de aislamiento 100%
Que se aplica donde fallas de líneas a tierra pueden ser despejadas rápidamente en menos de un minuto, lo
cual es normalmente apropiado para circuitos aterrizados. Estos cables son de fabricación normalizada.
2.
Nivel de aislamiento 133%
Donde fallas de línea a tierra pueden ser despejadas dentro de una hora, normalmente adecuado para
circuitos aterrizados con alta impedancia. Estos cables son de fabricación normalizada.
3.
Nivel de aislamiento 173%
Donde las fallas de línea a tierra pueden ser despejadas dentro de más de una hora. Estos cables no están
disponibles, generalmente son de fabricación bajo pedido o si no se usa cable 25KV. Normalmente
adecuado para circuitos no aterrizados
El mayor porcentaje de grosor de aislamiento protege al cable contra sobrevoltajes temporales provocados
por fallas y descargas atmosféricas y reducen la probabilidad de fallas provocadas por la aparición de
arboles de agua. Los más utilizados de 100% son 15KV.
6
CONDUCTORES
SUBTERRÁNEA
DE
CABLES
AISLADOS
EN
LA
DISTRIBUCIÓN
RESIDENCIAL
Las empresas eléctricas normalmente emplean conductores de aluminio, 80% de las empresas en los
EEUU utilizan el alloy de aluminio 1350, el resto de las empresas emplean cobre suave. El cobre es más
empleado en la construcción de circuitos urbanos y en aplicaciones industriales. El cobre tiene mayor
ampacidad y menor resistencia para un calibre dado.
La clase B de enhebrado es de clase estándar. En caso de que se requiera más flexibilidad se emplea la
clase C. Cada capa de hilos es arrollada en una dirección contraria.

Neutro o pantalla de cable aislado
La pantalla o neutro de un cable aislado es una barrera metálica que rodea el aislamiento del cable. El
neutro mantiene el exterior del cable al mismo potencial que la tierra. También suministra un camino de
retorno para corrientes desbalanceadas y para corrientes de falla. El neutro además protege de fallas
debido a otras fuentes. La pantalla metálica se la llama también vaina o funda.
El neutro concéntrico está constituido por alambre de cobre arrollados sobre la pantalla semiconductora
del aislamiento. Para cables de ramales monofásicos, las empresas utilizan el denominado neutro
completo 100% que significa que la resistencia del neutro es igual a la resistencia del conductor de fase.
También es de uso común el denominado neutro de 1/3, que posee una resistencia tres veces la de un
conductor de fase. En líneas de distribución residenciales se utilizan neutros completos y en líneas
comerciales y troncales se aplican neutros reducidos.
Los denominados cables de potencia normalmente tienen un neutro de cinta de cobre de 5 milésimas de
pulgadas de espesor. La cinta es bobinada helicoidalmente alrededor del cable con cierto traslape. Este
tipo de pantalla, por su reducido espesor, se espera que no conduzca corrientes desbalanceadas.
Sea el neutro del tipo alambre o cinta, se debe emplear para su construcción cobre, ya que el aluminio se
corroe fácilmente.

Pantalla semiconductora
En este caso el semiconductor significa “que conduce algo”. Este material posee cierta resistencia, con
una resistividad de 500Ω-m. Esta resistencia es más que la que presenta el conductor, y mucho menor que
la que muestra el aislamiento. A estas capas se las llama también “pantallas”, y tienen un grosor de menos
de 80 milésimas.
La función de la primera capa del material semiconductor es distribuir uniformemente el campo eléctrico
en la interfase entre el conductor y el aislamiento, y la otra capa realiza la misma función entre el
aislamiento y el neutro para evitar la ruptura eléctrica del conductor.
Estas pantallas son constituidas adicionándole carbón a un polímero aislante normal como el polietileno o
polietileno de enlace cruzado o al EPR. La pantalla del conductor es normalmente de 20 a 40 milésimas
de grosor. La pantalla del aislamiento es de 40 a 80 milésimas de espesor. Para cables de mayor diámetro
se usan pantallas semiconductoras más gruesas.
Las pantallas semiconductoras juegan un papel importante en la formación de arboles de agua. Los
arboles de agua más peligrosos son los que se inician en la interfase entre el aislamiento y la pantalla
semiconductora. Los arboles se inician en espacios vacios y en impurezas en esta interfase.
7

Chaqueta
La mayoría de los cables actuales poseen chaqueta, que es extruida entre y sobre los alambres del neutro.
La chaqueta suministra una protección parcial contra la entrada de agua, así como una protección
mecánica para el neutro. Sin la chaqueta, el agua entra fácilmente al aislamiento y acelera la formación de
árboles.
Para la chaqueta se emplean varios materiales. En la actualidad el material de uso más común es el
polietileno de baja densidad lineal. El PVC tiene muy buenas propiedades como chaqueta, pero el LLDPE
es aún mejor en muchos aspectos; propiedades mecánicas, límites de temperatura y entrada de agua.
La impermeabilidad del LLDPE es diez veces mejor, comienza a fundirse a 100°C y su coeficiente de
fricción es menor, lo que facilita su instalación en ductos.
También existen chaquetas constituidas con material semiconductor lo que significa una ventaja desde el
punto de vista de aterrizamiento, siendo igual a la del cable sin chaqueta, pero impidiendo la entrada de
agua. Un neutro en contacto con el suelo mejora el aterrizamiento de equipos y la protección en contra de
sobre voltajes. Sin embargo, se recomienda no usar chaquetas de semiconductor porque permiten el paso
de mayor cantidad de agua y contribuye a la corrosión del neutro. El carbón en la chaqueta crea corrientes
galvánicas con el neutro y otros metales cercanos. Especialmente con la presencia de agua en el cable, el
carbón de la chaqueta acelera la corrosión del neutro.
METODOS DE INSTALACIÓN DE CABLES SUBTERRÁNEOS
Las formas más comunes son las siguientes:
1.- Excavar zanjas.- Esta es la forma más común de instalar cables, bien sean directamente
instaladas o por tuberías. Después que la zanja es abierta, el cable es instalado y se debe rellenar la
misma para restablecer la superficie del terreno.
2.- Arar zanjas.- Una maquina rompe y levanta el suelo al mismo tiempo que entierra el cable en
la zanja. Este método elimina la necesidad de restablecer la superficie del terreno y es 30% más
barato que el método de realizar zanjas. Sin embargo este método reduce la capacidad de
conducción de corriente a la presencia de bolsas de aire entre el cable y el terreno no compactado
alrededor del cable.
3.- Realizar túneles.- Una serie de tecnologías para excavar túneles son utilizadas bajo vías
existentes o para mayores distancias.
Las empresas tienen diferentes opciones para instalar cables.
1.- Directamente enterrado.- Los cables son directamente enterrados en la tierra. Este método es
el más rápido y más barato. Su mayor desventaja es que la sustitución y la reparación de cables son
difíciles.
2.- Tubería.- Permite un reemplazo o reparación rápida de los cables. Tuberías de PVC rígida es
el material comúnmente empleado. Sin embargo, acero y HDPE y fibra de vidrio son también
empleados. Cables instalados en tuberías tienen menor capacidad de conducción de corriente que
cables instalados directamente en tierra.
3.- Directamente enterrado con tubería de reserva.- Cuando el cable es directamente enterrado,
simultáneamente se lo hace con una tubería de reserva, que posteriormente se la usa para instalar
un cable que reemplace al dañado.
4.- Tubería fundida en concreto.- En instalaciones urbanas, con frecuencia se emplean tuberías
en concreto. El concreto protege a la tubería contra excavaciones riesgosas.
8
5.- Cable pre-ensamblado en tubería.- Las empresas emplean tuberías con mayor frecuencia en
el caso de circuitos 3Ø de alimentadoras y servicios comerciales. El empleo de tubería PVC
aumenta los costos con respecto a cables directamente enterrados, de un 25 a un 50%.
El código de seguridad eléctrica (National Electrical Safety Code) exige que el cable enterrado
directamente esté a una profundidad de 0.75m. En la práctica, la profundidad de la zona es de por lo
menos 0.90m.
En cables de comunicación son enterrados conjuntamente con cables primarios de potencia, en el caso de
estar directamente enterrado, la norma requiere que el neutro tenga por lo menos la mitad de la
conductividad de los conductores de fase.
En instalaciones urbanas. Para cables 3 Ø del tipo PLC se emplean ductos de 3, 3.5 y 4 pulgadas de
diámetro, debido a que cables equivalentes con aislamiento de polímeros tiene una mayor sección.
IMPEDANCIAS DE LINEAS
Los valores de impedancias de las líneas son necesarios para calcular caídas de voltajes, flujo de potencia,
corrientes de cortocircuito y pérdidas en la línea.
Para encontrar la impedancia se usan 3 métodos.
1.-Datos obtenidos de tablas.
2.- Cálculos realizados a mano.
3.- Cálculos realizados por la computadora.
Capacidad de conducción de corriente de cable aislado (ampacity)
La ampacidad de un cable es el valor máximo continuo de corriente con el que se diseña la operación de
un cable. Este valor de corriente es solo un valor de diseño, que depende de varios factores, como son
temperatura del medio, velocidad del viento.
La temperatura de aislamiento de cable es normalmente el factor limitado de un cable. Existe una
temperatura máxima recomendada según cada tipo de aislamiento. Cables aislados con polietileno de
enlaces cruzados, XLPE, son diseñados para una temperatura máxima de operación de 90°C. Operar el
cable con temperaturas superiores, incrementa la posibilidad de fallas prematuras; los árboles de agua
pueden crecer más rápidamente, fallas por rupturas térmicas son más probables y la resistencia del
aislamiento puede decrecer, los cambios cíclicos de temperatura también envejecen el aislamiento.
El valor máximo de corriente, con mucha frecuencia, limita la carga conectada a un cable; en muy
contadas ocasiones, la caída de voltaje limita el valor de la carga
En comparación con las líneas aéreas, los cables aislados enterrados de un tamaño determinado, tienen
menor impedancia X1 y menor capacidad de conducción de corriente. De tal manera que circuitos de
cables aislados son mucho menos susceptibles a ser limitados por caídas de voltaje que las líneas aéreas.
Sólo en el caso de muy pequeños voltajes primarios <4kV para cables de mayor longitud se podría
presentar esta limitación. Sin embargo la capacidad de conducción de corriente no es el único factor para
la selección de que cable también se puede considerar las pérdidas de energía y la inversión en
inventario. No es buena idea escoger el cable de menor sección que cumple con la capacidad de corriente
requerida
Los cálculos de capacidad de corriente para conductores siguen leyes simples. La temperatura alcanzada
en el cable depende del valor de la corriente, 𝐼 2 𝑅 y la cantidad de calor que se emite y sale del mismo.
9
En los cables aislados hay 4 fuentes de calor
1. Perdidas por efecto joule en conductor
2. Perdidas por efecto joule en el neutro
3. Perdidas por efecto joule en el aislamiento y
4. Las perdidas en el aislamiento dieléctrico debido al movimiento de dipolos o transportadores de
carga del aislamiento
Las 2 últimas pérdidas en conductores de voltaje de distribución modernos de aislamiento de polímeros se
pueden despreciar.
Los elementos con mayor resistencia térmica para el conductor son:




El aislamiento
la chaqueta
el aire
y en mucha menos escala, la tierra y el concreto.
La resistencia térmica se calcula con la siguiente fórmula:
𝐷
𝑅 = 0.012𝜌 log ( )
𝑑
Donde:
𝑅: 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [𝑜ℎ𝑚𝑖𝑜𝑠 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑜𝑠 − 𝑝𝑖𝑒𝑠]
𝑐𝑚
𝜌: 𝑟𝑒𝑖𝑠𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [°𝐶 −
]
𝑊
𝐷: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑒𝑥𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑑: 𝑑𝑖á𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑡𝑒𝑟𝑖𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
La resistencia térmica cuantifica la característica de aislamiento de un material
RESISTENCIA TERMICA DE ELEMENTOS COMUNES EN LINEAS AISLADAS
𝒄𝒎
Elemento
𝝆: 𝒓𝒆𝒊𝒔𝒊𝒕𝒊𝒗𝒊𝒅𝒂𝒅 𝒕é𝒓𝒎𝒊𝒄𝒂 °𝑪 −
𝑾
Aislamiento XLPE
Aislamiento EPR
Aislamiento papel
Chaquetas de PVC
Concreto
Tierra
Agua
Aire
350
500
700
500
85
90
160
4000
Con frecuencia, la forma más fácil de encontrar la capacidad de corriente para una cierta aplicación, es el
empleo de tablas que muestran la capacidad de conducción de corriente para configuraciones comunes de
distribución. Cuando se usa la tabla, se debe tener cuidado que los valores asumidos para confeccionar las
mismas, concuerden con la situación y configuración particular.
10
AMPERAJES DE CABLES EN CIRCUITOS 1ø DE CONDUCTORES DE Al CON NEUTRO
COMPLETO 100%
Directamente enterrado
En Tubería
Factor de Carga
Factor de Carga
100%
75%
100%
75%
233
252
180
188
1/0
290
316
223
234
3/0
424
469
326
345
350 Kcmil
Si se permite un incremento de la temperatura del conductor, la capacidad de conducción de corriente
incrementa. En condiciones de emergencia (overload), el aislamiento XLPE puede ser operado a 130 °𝐶 y
el aislamiento EPR puede ser operado a 140 °𝐶. Las normas ICEA permiten condiciones de operación en
emergencia por 100 horas/año, con cinco de tales periodos a lo largo de la vida del cable. Cables de
polietileno puro, incluyendo el tipo HMWPE tienen poca capacidad de sobrecarga.
La temperatura máxima recomendada durante condiciones de emergencia es de 95 °𝐶
CONVERSIONES DE AMPERAJE NOMINALES 𝑇𝑎𝑚𝑏 = 95 °𝐶
Temperatura Inicial
Temperatura final
Multiplicador de Amperaje
95
1.15
75
75
0.90
90
105
1.08
90
130
1.2
90
140
1.14
105
Tuberías (conduits)
El espacio de aire dentro de las tuberías o ductos reduce significativamente el amperaje de los
conductores. El aire es una barrera que atrapa una mayor cantidad de calor dentro del cable. Cables
directamente enterrados en el suelo pueden tener de 10 a 25% mayor amperaje.
Aunque es variable la cantidad de aire en ductos, la diferencia práctica en el desempeño térmico de cable
es insignificante al comparar los tamaños de ductos comúnmente usados.
Bancos de ductos de concreto
Tienen aproximadamente el mismo comportamiento térmico que tuberías directamente enterradas. El
concreto es más consistente y menos propenso a fluctuaciones de su comportamiento térmico provocados
por la humedad.
Resistividad térmica del suelo y temperatura
Suelos con baja resistividad térmica conducen calor más rápidamente desde los cables. La humedad es un
factor muy importante. Suelos húmedos tienen más baja resistividad térmica. Suelos más densos,
normalmente tiene mejor conductividad térmica.
Más que ningún otro factor, la resistividad del suelo influye en la temperatura alcanzada y en el amperaje
𝑐𝑚
de cable directamente enterrado. Una resistividad térmica de 90°𝐶 −
se asume con frecuencia para
𝑊
cálculos de amperaje. Este número es conservador para muchos suelos, pero si el terreno muestra
resistividades mayores, la temperatura del cable puede ser mucho mayor.
11
Para suelos típicos, la muestra los rangos de resistividades térmicas. Para instalaciones enterrados a
profundidades normales (0.75 m a 0.9m) la resistividad térmica varia significativamente con la estación
del año, debido a la variación de humedad en el terreno. Los cambios de temperatura del suelo se retrasan
con respecto a los cambios de temperatura del aire, del medio, de dos a cuatro semanas.
Desafortunadamente en muchos sitios precisamente cuando se necesitan un alto amperaje, durante el
verano el suelo está más caliente y más seco. Los cambios de temperatura estacionales pueden ser
significantes, pero los cambios diarios de temperatura no lo son.
Profundidad
La profundidad a la que se entierran los cables afecta el amperaje. Con una resistividad térmica y
temperatura del suelo constante, enterrado a mayor profundidad se reduce el amperaje de los cables.
En áreas de suelos de alta resistencia térmica, como arcilla seca, se puede emplear relleno térmico para
𝑐𝑚
obtener un mejor desempeño, con una resistividad térmica menor a 60°𝐶 −
aun cuando el contenido
𝑊
de humedad se reduzca a menos del 1%.
Temperatura de la interfase con la tierra
Debido a que la conductividad térmica del suelo depende de la humedad, la temperatura en la interfase
entre el cable o el ducto y el suelo es muy importante. Desafortunadamente el calor tiende a alejar la
humedad. Altas temperaturas en la interfase resecan el terreno que rodea los cables o los ductos, con el
consecuente incremento de la resistividad térmica. Cuando se produce un efecto cadena, de acción y
reacción, se puede llegar a una falla de aislamiento.
Los cables directamente enterrados son los más propensos a este efecto, debido a que los ductos
suministran una barrera que reduce la temperatura de la superficie en contacto con el terreno.
Dependiendo de la resequedad del terreno, se limita la temperatura de la superficie con el rango entre 50 y
60ºC para reducir el riesgo de falla.
Desbalance de corrientes
La mayoría de las tablas de amperaje asumen corrientes trifásicas balanceadas. En sistemas de
distribución múltiplemente aterrizados, esta consideración se cumple muy pocas veces. Además las
corrientes desbalanceadas de retorno puede incrementar el calor en el cable que lleva la mayor corriente
de fase. Esto puede o no ser, lo que depende de las relaciones de fase y del ángulo.
La corriente de retorno puede incrementar la corriente del neutro en la fase más cargada.
Pantallas de alta resistencia reducen las corrientes circulantes y el desbalance de corriente. El calor
generado en la pantalla debido a la corriente desbalanceada, también disminuye con el incremento de la
resistencia, excepto para pantallas de muy baja resistencia, donde la misma tiene menor resistencia que
los conductores de fase.
Voltaje del sistema y grosor del aislamiento
Ninguno de los dos afecta significativamente el amperaje de cable aislado de distribución. El amperaje
permanece constante con el voltaje, cables de 5KV tienen aproximadamente el mismo amperaje de cable
de 35KV
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PRUEBA DE AISLAMIENTO DE CABLES
En general para probar un cable y determinar la integridad del mismo se emplea una prueba de alto
potencial (high pot test). En esta prueba un voltaje de corriente continua es aplicado de 5 a 15 minutos. La
norma IEE- 400 especifica que el voltaje para un cable de clase 15KV es 56KV en el caso de un cable
nuevo, y de 46K para una prueba de mantenimiento.
La prueba de alto voltaje, es una prueba de resistencia bruta o extrema que puede detectar fallas
inminentes. Pero esta prueba no cuantifica la cantidad de deterioro, causado por los años. Es una prueba
que se pasa o no se pasa.
La prueba de corriente continua provoca controversia debido a que en algunas ocasiones la misma a
causado daño al cable tipo XLPE, así como acelerada formación de arboles. Por esta razón para probar
cable 15KV del tipo XLPE, 100% de aislamiento (175 mil, 4:445m), el instituto EPRI nos recomienda:

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


No realizar pruebas a voltajes de 40KV (228V/ mil), en cables antiguos, especialmente en
aquellos que han fallado por lo menos una vez en operación y que son luego reparados.
Para voltajes de prueba mayores a 300V/ mil el deterioro era predominante.
Probar cables nuevos del tipo 15KV, en fábrica a 70KVdebido a que no se aprecia ningún efecto
posterior al realizar esta prueba.
Cable nuevo puede ser probado a 55KV en el campo, previo a su energización.
Pruebas de voltaje directo de mayor magnitud tal como 200V/ mil no determinan reacciones en
mal estado del cable.
Otra opción para mantener la integridad del cable es una prueba de corriente alterna, que no afecta el
aislamiento sólido. En esta prueba se usa corriente alterna de baja frecuencia, 0.1Hz, que puede causar
menor daño que la prueba de corriente continua.
LOCALIZACIÓN DE FALLAS EN CABLES ENTERRADOS
Las empresas de distribución usan una variedad de equipos y técnicos para localizar fallas en cables bajo
tierra. Algunas de estas opciones son descritas en los siguientes párrafos.

Divide y reina: en un ramal subterráneo de distribución, donde un fusible ha operado, los
electricistas localizan una sección de cable que ha fallado abriendo el cable en varios puntos. La
cuadrilla comienza abriendo el cable cerca del centro del mismo, para luego reemplazar el
fusible. Si el fusible vuela, la falla está en el cable hacia el lado de la fuente; si el fusible no
opera, la falla está en la sección desconectada aguas abajo. El personal luego abre el cable,
aproximadamente en el centro de la sección a probarse, y continúa de esta manera dividiendo el
circuito en los puntos apropiados. Normalmente se emplea como puntos de división de los
transformadores tipo padmounted. Evidentemente, cada vez que se cierre el cable cuando existe
una falla, se provoca más daños en el punto de la falla y el resto del sistema de distribución
sufre el esfuerzo de soportar la corriente de falla. De usar fusibles limitadores de corrientes se
reduce este esfuerzo, pero incrementa el costo de las pruebas.

Indicadores de falla (fault current indicators FCI): Los equipos indicadores de falla son
pequeños aparatos que poseen tenazas (ganchos) que se colocan alrededor del cable para medir
la corriente y señalar la presencia de corriente de falla. Normalmente estos indicadores se los
instala en transformadores padmounted. Los indicadores no determinan el punto exacto de falla.
Para lo anterior se puede usar adicionalmente el método del estruendo (thumper), el cual permite
identificar con precisión el punto de falla en un cable. Si una sección entera de cable se
encuentra instalada en tubería, la cuadrilla no necesita determinar exactamente el punto de falla,
lo único que se requiere es retirar el cable y reemplazarlo por uno nuevo. Si una falla es visible
desde el exterior de la tubería, resulta más sencillo reparar el cable en el sitio.
El empleo de indicadores de falla reduce significativamente la interrupción repetida de servicio
al facilitar la etapa en que se determina la ubicación de una sección de cable en falla,
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comparando con el método de divide y reina. Los modelos de indicadores de falla que producen
una señal audible o tienen un indicador externo evitan el tiempo de apertura requerido por abrir
los tableros o gabinetes donde se instale los indicadores.
Las empresas emplean con frecuencia indicadores de falla en lazos de distribución subterránea
en áreas residenciales.
Otra localización adecuada para indicadores de falla es en las terminaciones de secciones de
cable de circuitos aéreos, que son comunes en cruces de ríos o de autopistas. Estas secciones no
son protegidas con fusibles, pero los indicadores de falla le muestran a las cuadrillas si la sección
de cable ha fallado.
Los indicadores de falla pueden ser reestablecidos, es decir, encerados en una variedad de
formas. En unidades de restablecimiento manual, la cuadrilla debe restablecer los mismos sólo
una vez que han operado. Estas unidades son menos confiables para indicar una falla reciente.
En el caso de equipos que se autorestablecen son más confiables debido a que se restablecen
automáticamente, en base a corriente, voltaje o tiempo.

Prueba de seccionamiento de cable (section testing): Las cuadrillas aíslan una a una las
secciones de cable y le aplican prueba de alto voltaje continuo. Si el cable soporta la prueba de
alto voltaje, la cuadrilla procede a realizar la misma prueba en la siguiente sección y repite lo
mismo hasta encontrar la sección que se encuentra en falla. Para realizar la prueba de corriente
directa, el cable debe ser aislado del transformador.

Estruendo: Este método aplica un pulso de voltaje de corriente directa al cable. Como su
nombre lo indica en el punto de falla se escucha un ruido semejante a un estruendo y estallido
cuando se causa repetidamente una descarga en el punto de falla. Este método carga un capacitor
y emplea un interruptor que se cierra para descargar el capacitor en el cable. La ubicación de la
falla se determina por el ruido causado.
Para ayudar a la cuadrilla a localizar ruidos débiles se emplean aparatos amplificadores, tales como
antenas que sintonizan la interferencia de radio frecuencia desde el arco de descarga. Este método es
bueno para encontrar la localización exacta de una falla en una sección de cable, de forma tal que la
cuadrilla pueda iniciar la excavación. En sistemas de 15KV las empresas eléctricas típicamente utilizan
para esta prueba voltajes de pulso de 10 a 15KV, pero ciertas empresas algunas veces usan en la prueba
voltajes de 25KV.
RADAR.
También denominada reflectometría en el dominio del tiempo. Un equipo de radar inyecta una corriente
de pulso de corta duración en el cable. Cuando encuentra discontinuidades en la impedancia del cable una
porción del pulso se genera de regreso hacia el radar, si se conoce la velocidad de propagación de la onda
en el cable y el tiempo que le tomo en ir y regresar a la onda, esto nos da un estimado de la distancia hacia
la falla. Dependiendo del equipo de prueba y de la graduación, los pulsos de radar pueden ser de 5 nano
segundos a 5 micro segundos. Pulsos más angostos dan mejor resolución en el equipo de forma tal, que el
operador puede de mejor manera diferenciar entre una falla y reflexiones desde derivaciones y otras
discontinuidades en el cable.
El radar nos da una determinación exacta del punto de falla el principal objetivo para su uso es reducir la
ubicación de la falla a una sección del cable. Luego la cuadrilla puede hacer uso del método del estruendo
o alguna técnica de precisión para encontrar el punto de falla. Enviando pulsos de radar desde cada una de
las terminales del cable y promediando del resultado nos puede guiar a un mejor estimado de la
localización de la falla. La aplicación de radar en circuitos con varias derivaciones puede ser complicada;
el pulso se refleja desde las diversas derivaciones y la señal de la falla es reducida en magnitud.
La tecnología actual ha desarrollado el uso de antenas sobre el nivel del suelo para censar y determinar
los puntos de falla basados en señales de radar.
Radar y estruendo: después que un radar u otro equipo de protección despeja una falla en un cable, el
punto de falla recobra parcialmente su resistencia de aislamiento. Si se prueba el cable con un medidor de
ohmios, se obtendrá una lectura de circuito abierto. De igual manera los pulsos de radar pasan sin ser
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afectados por la falla, de tal forma que el radar actuando solo no detecta una falla. El uso conjunto del
radar con el método del estruendo resuelve este problema.
Un pulso del método del estruendo rompe la resistencia en el punto de falla, y el radar superpone un pulso
que refleja desde el arco del mismo. El tiempo de crecimiento de la onda de estruendo es del orden de
unos cuantos microsegundos; el pulso de radar puede ser de menos de 0.05 microsegundos. Otro método
menos atractivo es el uso continuo del método de estruendo para quemar el cable hasta que la resistencia
de falla sea lo suficientemente pequeña para obtener una lectura en el equipo de radar. Este método es
menos empleado porque somete el cable a muchos más estruendos, especialmente si el equipo usa alto
voltaje.
De la información suministrada por las empresas distribuidoras se aprecia que los indicadores de falla son
los equipos de detección más ampliamente utilizados, sin embargo, las empresas emplean una variedad de
técnicas diferentes. Ver fig. Ciertas técnicas de detección de fallas son mejores dependiendo del tipo de
circuito, de la configuración del mismo y del equipo de detección empleado.
Cuando se aplica pruebas de voltaje a cable, los operadores deben estar conscientes que los cables pueden
almacenar una carga eléctrica importante. Los cables aislados tienen una capacitancia significativa que
puede mantener la carga eléctrica por varios días.
(8.2 equipos de protección)
(5.2.1 interruptores de circuitos)
CONEXIÓN A TIERRA Y SEGURIDAD.
La conexión a tierra, o aterrizamientos es una de las principales defensas contra choques eléctricos y
sobre voltajes, peligrosos en el interior. Un buen aterrizamiento de los equipos ayuda a reducir las
posibilidades de que el personal de linieros y el público reciba descargas debido a fallas internas de los
equipos. El sistema de aterrizamiento como las cargas, son conectadas al sistema y como las fallas de
línea a tierra son despejadas por el sistema de potencial.
La mayoría de los sistemas de Norteamérica tienen aterrizamiento efectivo y poseen un conductor de
neutro que actúa como conductor de retorno y como tierra de seguridad del equipo.
Hay varias configuraciones de puesta a tierra para sistemas de distribución de potencia 3Ø. La figura
muestra las cargas conectadas.
El neutro múltiplemente aterrizado, la tierra, el suelo, une como conductor de retorno para parte de
corriente des balanceadas en fallas y en operación.
Enteros 3Ø de 4h múltiplemente aterrizado tienen multiventajas sobre enteros de 3h.
Una fase y el conductor de neutro alimentan cargas monofásicas. El conductor del neutro
transporta la corriente des balanceada y provee un aterrizamiento seguro al equipo. El bajo costo
para suministrar cargas 1 Ø es la principal razón considerada para el uso de 4 líneas.
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Ventajas:
Cables individuales para cargas 1 Ø en sistemas bajo tierra (puntas terminales, codos, aisladores
de transformadores).
Líneas aéreas 1 Ø son más baratas
Se usan trafos de un solo bushing.
Un solo pararrayos y un solo fusible para trafos 1 Ø
El conductor del neutro puede ser ubicado en la parte inferior del poste
Pararrayos de menor capacidad nominal.
Se requiere menor aislamiento, el aislamiento respecto a tierra del trafo puede ser gradual.
El uso extensivo de líneas 1 Ø resulta más barato, el neutro del primario puede ser compartido como
neutro del secundario con un ahorro adicional en los costos. La flexibilidad del sistema se incrementa
para cuando se requiera convertir una línea de 2 ó 3 fases en líneas aéreas para servir a mayores cargas.
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