Cables de alimentación aislados XLPE: clasificaciones y pruebas

Clasificaciones de voltaje y niveles de aislamiento

Cables de alimentación aislados XLPE are manufactured to defined voltage classes that specify the phase-to-phase and phase-to-ground withstand capabilities. The most common medium-voltage designations under IEC 60502-2 are 6/10 kV, 8.7/15 kV, 12/20 kV, and 18/30 kV, where the first figure represents the rated phase-to-ground voltage and the second the rated phase-to-phase voltage. A cable designated 8.7/15 kV must withstand a power-frequency test voltage of 30,5 kV durante cinco minutos durante las pruebas de aceptación en fábrica, verificando la integridad de la capa aislante extruida.

Seleccionar la clasificación de voltaje correcta requiere hacer coincidir el cable con el voltaje operativo continuo máximo del sistema y la duración esperada de la falla a tierra. Para un sistema de 12 kV donde las fallas a tierra se eliminan en un segundo, un cable de 6/10 kV puede tener un tamaño insuficiente una vez que se consideran las sobretensiones transitorias. El espesor del aislamiento varía según la clase de voltaje: características típicas de un cable de alimentación con aislamiento XLPE de 15 kV 4,5 mm de aislamiento XLPE , mientras que un cable de 35 kV aumenta esto a aproximadamente 8,4 milímetros . Este espesor adicional afecta directamente el diámetro total del cable, la rigidez a la flexión y los cálculos de tensión de tracción necesarios durante la instalación.

Capacidad de carga actual y factores de reducción

La ampacidad de los cables de alimentación con aislamiento XLPE no es un número fijo único. Cambia según el método de instalación, la temperatura ambiente, la resistividad térmica del suelo y la proximidad de los circuitos vecinos. Un cable XLPE de cobre de 240 mm² de 3 núcleos clasificado para enterramiento directo puede transportar 480 A a 90°C de temperatura del conductor de forma aislada, pero esta cifra cae significativamente cuando el cable se instala en un banco de conductos con otros cuatro circuitos cargados y una resistividad térmica del suelo de 1,2 K·m/W en lugar del supuesto 1,0 K·m/W.

La siguiente tabla presenta los factores de reducción típicos aplicados a cables de alimentación con aislamiento XLPE instalados en varias configuraciones, según las pautas IEC 60364-5-52.

El efecto acumulativo de múltiples factores de reducción es multiplicativo. Un cable en un banco de conductos de cuatro circuitos con una temperatura del suelo elevada podría ver reducida su ampacidad efectiva a 270 A o menos , apenas la mitad de su calificación en aire libre. Los materiales de relleno térmico con baja resistividad, como arena ligada con cemento o lechadas diseñadas específicamente para rodear el banco de conductos, se convierten en medidas de mitigación esenciales para recuperar la capacidad perdida sin aumentar el tamaño de la sección transversal del conductor.

Tolerancias de instalación y límites de tracción

La instalación en campo de cables de alimentación con aislamiento XLPE exige un estricto cumplimiento de radios de curvatura mínimos y tensiones de tracción máximas. El radio de curvatura mínimo para un cable XLPE de un solo núcleo durante la instalación suele ser 15 veces el diámetro total del cable , aumentando a 12 veces para cables de tres núcleos. Exceder este radio provoca daños irreversibles a la estructura de aislamiento XLPE: el radio interior se comprime mientras que el radio exterior se estira, creando potencialmente microhuecos que evolucionan hacia sitios de descarga parcial bajo tensión de funcionamiento.

Los límites de tensión de tracción protegen el conductor y el aislamiento de daños mecánicos durante el tendido del cable. La tensión de tracción máxima para un cable XLPE conductor de cobre no debe exceder 50 N por milímetro cuadrado de sección del conductor . Para un conductor de cobre de 300 mm², esto se traduce en 15.000 N de fuerza de tracción permitida. Esta tensión debe calcularse a lo largo de todo el recorrido de tracción planificado, incluido el aumento de fricción en cada curva del conducto. Los lubricantes para cables compatibles con el material de la cubierta XLPE, generalmente un gel a base de bentonita o polímero, reducen el coeficiente de fricción a aproximadamente 0,25 a 0,35 , reduciendo sustancialmente la fuerza de tracción requerida. También se debe verificar la presión de la pared lateral donde el cable se apoya contra el interior de un codo de conducto, con un límite típico de 1.500 N por metro de radio de curvatura para cables XLPE para evitar la deformación del aislamiento.

Prácticas de terminación y unión

Los puntos donde los cables de alimentación con aislamiento XLPE se conectan al tablero o se empalman con otras secciones de cable representan las ubicaciones de falla estadística más altas en cualquier red. Una terminación ejecutada correctamente reconstruye el control de tensión eléctrica que proporcionó la pantalla de aislamiento aplicada de fábrica. El punto de reducción de la pantalla crea una región de alta tensión eléctrica, y un tubo de control de tensión o un cono de tensión geométrico debe graduar este potencial suavemente desde el voltaje del conductor hasta el potencial de tierra a lo largo de la longitud de la terminación.

Las terminaciones termorretráctiles para cables XLPE de 15 kV requieren una preparación metódica: se retira la cubierta exterior para exponer el blindaje metálico, se corta el blindaje a la dimensión especificada, se retira la pantalla de aislamiento para exponer el XLPE limpio y se lija la superficie del aislamiento hasta obtener un grano abrasivo especificado por el fabricante de la terminación. Cualquier marca dejada en la superficie del XLPE por un corte descuidado con un cuchillo durante la extracción de la pantalla se convierte en un punto de inicio de descarga parcial. La masilla o el tubo de control de tensión deben superponerse al borde de la pantalla en la distancia especificada por el fabricante, generalmente 15 mm a 25 mm , para garantizar que las líneas del campo eléctrico se refracten suavemente sin seguimiento de la superficie. Después de la instalación, la terminal de terminación debe engarzarse con una matriz hexagonal adaptada a la clase y sección transversal del conductor, aplicando suficiente compresión para lograr una soldadura en frío hermética al gas entre la terminal y los hilos de cobre.

Pruebas de campo y puesta en servicio

Probar los cables de alimentación con aislamiento XLPE después de la instalación pero antes de la energización es la puerta final que detecta defectos de mano de obra, daños de transporte y errores de terminación. La prueba de puesta en servicio aceptada para nuevos circuitos XLPE de media tensión es una Forma de onda sinusoidal de muy baja frecuencia a 0,1 Hz. , aplicado por una duración de 30 a 60 minutos. Para un cable de 15 kV con una clasificación de fase a tierra de 8,7 kV, el voltaje de prueba VLF generalmente se establece en 2,0 a 3,0 U₀ , correspondiente a aproximadamente 18 kV a 26 kV de pico.

Las pruebas de alto potencial de CC, que alguna vez fueron una práctica estándar, se han abandonado para los cables de alimentación con aislamiento XLPE porque depositan carga espacial en el aislamiento que puede precipitar una falla en servicio después de que el cable se vuelve a conectar a la CA. La prueba VLF, combinada con la medición de tan delta en múltiples pasos de voltaje, proporciona una base de diagnóstico. Un cable XLPE nuevo y en buen estado debería presentar un valor de tan delta por debajo 0,2 × 10⁻³ con variación mínima entre pasos de voltaje. Cualquier cable que muestre una tan delta que exceda este umbral, o un aumento de cambio entre niveles de voltaje sucesivos, indica contaminación, ingreso de humedad o defectos de extrusión que justifican una investigación y un posible reemplazo del cable antes de que el circuito se ponga en servicio.

Monitoreo de condición y envejecimiento a largo plazo

El aislamiento XLPE se degrada a través de dos mecanismos principales: envejecimiento térmico debido al funcionamiento sostenido en el límite de 90 °C o cerca de él, y el crecimiento de árboles acuáticos en presencia de humedad y tensión eléctrica. Los compuestos XLPE modernos incorporan aditivos retardantes de agua y árboles, pero los cables fabricados antes de la adopción generalizada de estas formulaciones en la década de 1990 siguen siendo vulnerables. Los programas de monitoreo de condición utilizan mapeo de descargas parciales y espectroscopía dieléctrica para identificar cables de alimentación con aislamiento XLPE envejecidos antes de que fallen en servicio.

La medición de descargas parciales, realizada con acopladores capacitivos en las terminaciones o transformadores de corriente de alta frecuencia alrededor de la conexión a tierra del cable, detecta descargas con magnitudes de carga aparente tan bajas como 5 a 10 picoculombios . Un cable que presenta un voltaje inicial de descarga parcial inferior a 1,3 veces el voltaje de funcionamiento se acerca a una condición en la que es probable que se produzca una falla en los próximos uno a tres años. Para circuitos críticos, los sistemas de monitoreo de descargas parciales en línea instalados permanentemente en las terminaciones del tablero brindan vigilancia continua de la condición del cable de alimentación aislado XLPE, activando alarmas cuando la actividad de descarga cambia en magnitud o tasa de repetición. Estos datos permiten a los administradores de activos programar interrupciones planificadas para el reemplazo de cables en lugar de responder a una falla de emergencia que interrumpe la producción o la prestación del servicio.