Cables con aislamiento de XLPE para Alta (AT) y Muy Alta Tensión (MAT)

En los últimos años el uso de los cables con aisla­miento estrusionado ha encontrado un empleo más extendido para la realización de importantes conexiones de alta y muy alta tensión.

El logro de estos objetivos ha sido posible gracias al perfeccionamiento de los materiales y de los procesos que han conseguido alcanzar niveles cualitativos muy elevados.

Hoy podemos afirmar que el uso de cables con aislamiento estrusionado hasta 150 kV es conside­rado como un hecho consolidado con 20 años de ejercicio y de muy alta fiabilidad. Para tensiones superiores, donde no se tenía el apoyo de las experiencias ha sido preciso realizar en los últimos años un esfuerzo de investigación y desarrollo, que ha permitido la realización de enlaces hasta 400kV con plenas garantías de seguridad y servicio.

Desde el inicio de los años 90 el CIGRE creó gru­pos de trabajo con el objetivo de estudiar el comportamiento del aislamiento de XLPE (cross-linked polyethylene) y de estimar la posibilidad de extender la aplicación también a los cables de tensión superior a los 150 kV. Las primeras con­clusiones de este estudio fueron las siguientes:

• El espesor del aislamiento no puede aumentarse de forma ilimitada a medida que aumentamos la tensión de ejercicio, pues conllevaría problemas constructivos muy importantes, por ello el gra­diente de potencial de diseño debe ser incremen­tado para la tensiones más elevadas, y de este modo los espesores de aislamiento se mantienen en unos límites tecnológicamente razonables.
• La disponibilidad de los accesorios prefabrica­dos y estudiados ad hoc es compatible con el aumento de los gradientes de tensión.
• Controles y monitorización continua en las líneas de producción aseguran un alto nivel de control de la calidad durante todas las fases de produc­ción y juegan un rol fundamental en la evolución permitida del gradiente de la tensión.
• La ausencia de una normativa adecuada ha representado un obstáculo fundamental al desarrollo de los cables que funcionen con ele­vados gradientes y a su aplicación comercial.

Sucesivamente el trabajo del CIGRE lleva a la publicación de los siguientes dos artículos en la revista Electra N°151 del 1993:

– Recomendaciones para las pruebas eléctri­cas de tipo, muestra y rutina en los cables y los accesorios de >150 kV (170 kV) y < = 400 kV.

– Recomendaciones para las pruebas eléctri­cas de precalificación y desarrollo en los cables y los accesorios de > 150kV (170kV) y < = 400 kV (420kV).

Estos dos artículos han constituido la base del desarrollo de los cables con aislamiento estrusio­nado para MAT y han trazado las líneas para la emisión de una nueva normativa internacional. En el año 2000 el mismo grupo de trabajo del CIGRE ha extendido la aplicabilidad de esta teoría tam­bién a los cables de tensión hasta 500 kV (550 kV), estos estudios del CIGRE han constituido la base del trabajo que ha permitido al Comité Técnico 20 del IEC emitir en el año 2001 la primera edición de la normaIEC 62067.

2. Las normas IEC para los cables de AT y MAT

La primera edición de la normas IEC 60840 con respecto a los cables con aislamiento estrusiona­do para tensión hasta 150 kV datan del año 1988; estas normas se basan en requisitos de tipo fun­cional, por lo tanto no prescriben parámetros de tipo constructivo, que se dejan a elección del fabricante. El requisito fundamental de esta norma es el siguiente:

• Pruebas de rutina: son las pruebas que deben hacerse sobre todos y cada uno de los compo­nentes, longitud de cable o accesorio del tipo prefabricado, con el fin de verificar los requisi­tos especificados.
• Prueba sobre muestras: pruebas realizadas en muestras extraídas de cables o de accesorios que complementan a los ensayos de rutina en la determinación los requisitos especificados.
• Pruebas de tipo: pruebas llevadas a cabo sobre un prototipo completo de cable y accesorios con el fin de verificar satisfactoriamente las características antes de su comercialización Una vez superadas, estas pruebas no necesitan ser repetidas a menos que no se realicen modifica­ciones sustanciales al sistema.
• Pruebas posteriores a la instalación: pruebas eléctricas realizadas en la instalación antes de su puesta en marcha con la única finalidad de veri­ficar la correcta ejecución de las operaciones de tendido y de montaje.

Si se piensa en los miles de kilómetros de conexiones en cable instaladas en todo el mundo subordinados a todos los requisitos fijados en esta norma, se puede afirmar sin temor a equivo­carse que el éxito ha sido total y que han sido confirmadas todas las expectativas que conducen a su emisión.

En efecto la experiencia ha demostrado que la frecuencia de averías de estos sistemas ha resul­tado muy inferior a la prevista y dada como aceptable durante los estudios preliminares para la definición de los requisitos de pruebas; hoy podemos afirmar que casi la totalidad de las ave­rías en las líneas cableadas son ocasionadas por causas accidentales producidas por terceros. 

En el momento de valorar la posibilidad de extender esta norma a los cables de tensión superior, el grupo de trabajo del CIGRE encarga­do de estudiar el argumento y de desarrollar las recomendaciones de prueba, llegó a la conclusión que la simple extrapolación de los requisitos de la norma IEC 60840 en los cables de tensión supe­rior a los a 150 kV no eran recomendables por los siguientes motivos:

• Con el aumento de la tensión los cables deben poder transportar potencia siempre muy eleva­da que implica un grupo de usuarios muy amplio, como consecuencia los empalmes deben garantizar una fiabilidad superior.
• El incremento del espesor del aislamiento con­siguiente al aumento de la tensión, y de las sec­ciones de los conductores consiguiente al aumento de las corrientes, implican esfuerzos termomecánicos mucho más elevados que los de los cables a 150 kV.
• Para limitar las dimensiones de los cables MAT, deben funcionar a gradientes de tensión muy ele­vados, que son hasta el doble de aquellos de los cables hasta 150 kV, por lo tanto el margen de seguridad se reduce y la conexión cable / acceso­rio llega a ser más crítica y dificultosa de realizar.

Sobre la base de estas conclusiones el grupo de trabajo del CIGRE desarrolló una metodología de pruebas para que una determinada tecnología en cables MAT fuese capaz de demostrar el com­portamiento satisfactorio en el tiempo, esta prue­ba de larga duración se conoce con el nombre de prueba de precalificación.

Sustancialmente esta prueba consiste en someter un cable de una longitud aproximada de 100 metros, incluyendo empalmes y terminales e ins­talado en las condiciones reales de ejercicio, a las siguientes pruebas:

• Un mínimo de 180 ciclos térmicos de carga a la temperatura del conductor incrementada de 0ºC a 5°C respecto a la temperatura de ejerci­cio. Durante los ciclos térmicos y por un perío­do global de 8760 horas (un año) el circuito esta sujeto constantemente a la tensión de prueba 1.7 Uo aplicada entre el conductor y la pantalla (donde Uo es la tensión nominal de servicio entre fase y tierra)
• Al finalizar la prueba de un año debe realizar­se la prueba de impulso.
• Al término de las pruebas el circuito debe ser desmontado y sometido a un adecuado exa­men visual y no se deben encontrar anomalías ya sea sobre el cable o los accesorios.

Los criterios de valorización de la prueba de largaduración o de precalificación se basan en las aplicaciones de la teoría de Weibull, como se demues­tra en el esquema de la figura 3, la prueba de un año ofrece una clara dirección sobre el desarrollo de la curva de vida, que permite valorar la posibili­dad de un período de vida de 30-40 años en rela­ción a un determinado valor del gradiente eléctri­co en ejercicio.

3. Desarrollo actual en curso

No obstante para los cables de alta y muy alta ten­sión y sus accesorios hemos de tener en cuenta los componentes fiables y consolidados de los siste­mas de transmisión, que están en un desarrollo constante dirigido, por un lado, a una reducción de sus dimensiones y peso, de modo que faciliten la instalación, y por otro lado a incrementar las pres­taciones con igualdad de fiabilidad. Estudios y desa­rrollos conciernen también a otros aspectos, como los sistemas de montaje, la pantalla contra los cam­pos magnéticos, la tecnología de tendido, la posibi­lidad de realizar largas líneas sin compensación y componentes auxiliares de los sistemas AT y MAT; he aquí algunos ejemplos:

3.1. Construcción del cable

Las mejoras relativas al diseño de los cables repa­san todos los elementos constructivos.

ción del incendio, sin emisión de gases nocivos o corrosivos.

3.2.Accesorios sintéticos

En los terminales tradicionales de AT para cable estrusionado, la presencia de un fluido aislante como relleno del aislamiento, representa un ele­mento de riesgo en cuanto a una eventual perdi­da que provocaría una descarga eléctrica destruc­tiva.Todavía hoy se están desarrollando los termi­nales denominados “secos”, en los cuales el aisla­miento no es rellenando con un fluido aislante. En estos casos el cono de EPR es tomado como un sistema blando contra el cable y contra el ais­lamiento de resina epoxídica, oportunamente moldeada.

Varios accesorios de este tipo se utilizan con ten­siones hasta los 220 kV.

La introducción de sensores integrados en los accesorios promete ulteriores posibilidades para la medida de las descargas parciales durante las pruebas a instalación acabada. Estos sensores per­miten, además, repetir la medida de las descargas parciales a intervalos de tiempo regulares (en períodos anuales o bianuales), evitando el uso de generadores móviles, simplemente alimentando la instalación con la tensión de la red.

Para los conductores, la optimización y la industria­lización de las grandes secciones han incrementa­do la capacidad de transmitir corriente. Con tal fin, el uso de los hilos singularmente esmaltados han confirmado una significativa reducción del efecto piel y de las pérdidas relativas.

La evolución de la tecnología y de la búsqueda de un material cada vez más satisfactorio ha favoreci­do un aumento del gradiente eléctrico de proyec­to, para la definición de las dimensiones del aisla­miento y la consiguiente realización de empalmes en cable enterrado, compactos y de más fácil ins­talación.

La necesidad de pantallas metálicas ligeras y com­pactas pero capaces de asegurar la protección radial contra la penetración del agua, nos ha lleva­do a un desarrollo y una realización de cubiertas de aluminio liso soldado. Dicha solución une a la elevada fiabilidad de una cubierta totalmente impermeable un impacto ambiental minimizado, gracias a la eliminación del plomo.

También las cubiertas plásticas han sido objeto de innovación y desarrollo. Como por ejemplo, las cubiertas mixtas (Airbag^®) mejoran notablemente la protección mecánica del cable en fase de tendi­do. Por el contrario, en las instalaciones en túnel, el uso de cubiertas en polietileno ignifugado garanti­za un mejor comportamiento frente a la propaga‑

En el caso de las instalaciones directamente ente­rradas, el diseño del sensor debe garantizar la capacidad estanca de la protección del empalme. La eficacia de la solución PRYSMIAN ha estado verificada con pruebas de tipo de acuerdo a las normas IEC.

3.3. Monitorización y diagnóstico

OptoPower^® es el sistema RTTR (Real Time Ther­mal Rating) desarrollado por PRYSMIAN para ges­tionar en tiempo real el alcance del sistema y dis­frutar por completo de la potencialidad de trans­porte del circuito. En particular, la monitorización de la temperatura del cable, permite controlar las condiciones de sobrecarga del circuito, advertir de los posibles puntos calientes, valorar eventuales variaciones en la resistividad térmica del terreno que rodean al cable y gestionar eventuales sistemas de refrigeración

Por lo que concierne al diagnóstico, esta asu­miendo mucha importancia la medida de las des­cargas parciales de los accesorios en el momento del examen pericial de la instalación, gracias a la significativa mejora en las tecnologías de elabora­ción de los datos, que permiten separar la señal del ruido debido al ambiente circundante. Tal medida viene asociada siempre frecuentemente a la prueba de tensión posterior al tendido, ejecutable en corriente alternada con generadores móviles y una tensión convenientemente superior a aquella del ejercicio.

La condición ideal para obtener una elevada sensibili­dad en la medida de las descargas parciales,es que los accesorios incorporen sensores para ello dispuestos, pero se está también difundiendo la costumbre de realizar medidas de descargas parciales en accesorios en instalaciones que ya están en funcionamiento (por consiguiente no provistos de sensores).

En estos casos, la medida se realiza mediante un transformador de corriente y alta frecuencia pues­to sobre las conexiones de “cross-bonding” o de puesta a tierra del accesorio.

En los últimos años se ha asistido a un aumento en la atención de la opinión pública hacia los fenómenos de polución electromagnéticos. Las problemáticas relativas a los campos magnéticos generados por los cables, han sido afrontadas desarrollando métodos prácticos que se pueden aplicar para reducir drásti­camente los efectos, hasta por debajo de 0.2 micro­Tesla y un metro sobre el nivel del terreno.

Entre las soluciones más eficaces y más frecuente­mente adoptadas se puede citar la obtenida con tubo ferromagnético, con canaleta abierta de material ferromagnético, solución que facilita nota­blemente las operaciones.

Otra posibilidad, menos eficaz pero utilizada donde la legislación no es muy restrictiva, consiste en el uso de redes pasivas. Por lo general esta solución se revela particularmente útil cuando es necesaria una pantalla localizada.

4. Proyecto Barajas

La ampliación del Aeropuerto de Barajas en Madrid preveía la construcción de dos nuevas pis­tas.Tal expansión estaba obstaculizada por la pre­sencia de una línea aérea de 400 kV en doble terna que ha debido ser desmantelada y sustituida con dos líneas con cable XLPE.

El recorrido está enteramente realizado en un túnel construido con elementos prefabricados y enterrado a baja profundidad. En el interior del túnel, de 2.2 m de alto, los cables han sido instala­dos en la pared, separados 500 mm y festoneados con la finalidad de reducir los empujes axiales durante los ciclos térmicos.

El cable tiene un conductor de tipo Milliken de 2500 mm² constituido por 6 segmentos, instalado en tramos de hasta 850 m. Cada circuito incluye 48 empalmes pre-moldeados y 6 terminales para exterior con aislamiento de porcelana. Las cubier­tas metálicas están conectadas mediante un siste­ma cross-bonding con objeto de optimizar la intensidad admisible. La longitud completa del tra­zado es de 12.8 km.