UNIVE RSIDAD NACIONAL
FACULTAD D INGENIERÍA
DE MAR DEL PLAT A
CABLES SUBTERRÁNEOS
Realizada por Agustín Gonzales
INTRODUCCIÓN El objetivo de la presente monografía es hacer un estudio sobre cables de uso subterráneo de alta, media y baja tensión. En primer lugar se hará una introducción teórica sobre composición de los cables en general para luego analizar los factores que se consideran a la hora de diseñar y desarrollar este tipo de cables en particular. Resulta muy valioso hacer un análisis histórico sobre la existencia de diferentes tipos de cables que fueron utilizados a lo largo del tiempo, para lograr comprender a través de la comparación el alto grado de avance que se ha conseguido desarrollar, principalmente en los últimos 25 años. A lo largo de este trabajo, además de analizar las características físicas de cables subterráneos se explicará cuáles son las consideraciones necesarias a la hora de realizar una instalación eléctrica, indicando las ventajas y desventajas que presentan los diferentes tipos de cables de acuerdo a las condiciones de instalación. También se hará un estudio de impacto ambiental de los diferentes materiales por ser este un factor que ha tomado relevancia en los últimos años del siglo XX y en la actualidad. Cable aclarar que el objetivo de la monografía es poder desarrollar un estudio y análisis que sirva para poder profundizar en un tema específico como cables subterráneos.
INTRODUCCIÓN TEÓRICA SOBRE CABLES Pérdida de energía La función de un cable de potencia es distribuir la energía eléctrica, desde una fuente, hasta un punto de utilización. Pero cuando la energía fluye por los cables, un porcentaje de dicha energía se disipa en forma de calor, lo que reduce los niveles de eficiencia. No hay mejor momento para planificar la eficiencia en la distribución de energía que en la etapa de diseño del proyecto. Después será mucho más difícil y costoso incorporar mejoras al circuito. En las operaciones comerciales e industriales, el costo de la energía es un factor cada vez más importante. Desde el inicio se hacen esfuerzos para evitar gastos innecesarios en el futuro. Así por ejemplo, en las redes de suministro público, la proyección de costos debe hacerse para un horizonte de 20 a 30 años. En nuestro país una parte de potencia instalada proviene de centrales térmicas. El empleo de conductores eficientes implica ahorro de combustible, lo que implica también menos contaminación. Hay que recordar que la energía pérdida jamás se recupera y se convierte en un sobrecosto. Es el usuario final quien paga dicho sobrecosto. Si consideramos el costo de generar energía, en relación con el costo de implementar un programa para ahorrarla, siempre resultará de mayor beneficio para el país en general, desarrollar sistemas destinados a optimizar la eficiencia energética.
Cómo dimensionar un Conductor Para dimensionar un conductor debemos tener en consideración lo siguiente: 1. La capacidad de corriente debe ser por lo menos igual a la exigida por el circuito o la carga en condiciones extremas. 2. La caída de tensión en los extremos de la carga. (Según el Código Nacional de Electricidad varía entre el 3% y 5% en función de la carga o sobrecargas en condiciones de emergencia). Se recomienda que el valor sea cercano a 3%. 3. La capacidad de cortocircuito, es decir, cuánta sobrecarga puede soportar el circuito, lo que dependerá directamente de cómo se haya diseñado la conexión. 4. El cálculo de la energía de pérdidas, por la menor resistencia del conductor. 5. El análisis técnico - económico de la selección del conductor. El Cable eléctrico esta compuesto por uno o más conductores eléctricos, cubiertos por un aislante y, en ocasiones, por un revestimiento o vaina protectora, utilizado para transmitir energía eléctrica o los impulsos de un sistema de comunicaciones eléctrico. Para la transmisión de energía eléctrica en los circuitos de alta tensión se utilizan cables de tres alambres revestidos de plomo y rellenados con aceite bajo presión. Las líneas de distribución secundarias suelen utilizar cables aislados de un solo conductor. En el cableado eléctrico residencial se emplea un cable que contiene dos conductores aislados, rodeados de capas de aislante adicionales cubiertas con una banda metálica enrollada
helicoidalmente para su protección. El cable de encendido utilizado para transportar corriente de alta tensión a las bujías de un motor de combustión interna es un cable monoconductor. Está cubierto de tela impregnada en laca para aislarlo. Las líneas de transmisión de alta tensión suelen estar formadas por cables de cobre, aluminio o acero recubierto de aluminio o cobre. Estos cables están suspendidos de postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesión de aislantes de porcelana. Gracias a la utilización de cables de acero recubierto y altas torres, la distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido de las líneas de transmisión; las más modernas, con tendido en línea recta, se construyen con menos de cuatro torres por kilómetro. En algunas zonas, las líneas de alta tensión se cuelgan de postes de madera. Las líneas de distribución a menor tensión suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres de acero. En las ciudades y otras áreas donde los cables aéreos son peligrosos se utilizan cables aislados subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circule aceite a baja presión. El aceite proporciona una protección temporal contra el agua, que podría producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos con muchos cables y aceite a alta presión (unas 15 atmósferas) para la transmisión de tensiones de hasta 345 kV
Clasificación de cables A continuación se realizara una clasificación de cables en cuanto a su constitución, aplicación y respuesta ante agentes externos: Según: MATERIAL AISLANTE: Papel aceite Goma butílica P. V. C. Policloruro de vinilo PE Polietileno termoplástico XLPE Polietileno reticulado Etileno-propileno EPR Goma etilpropilénica Caucho silicona MATERIAL CONDUCTOR: Cobre Aluminio Aleación de aluminio Aluminio- Acero FORMA DE INSTALACION: Subterráneo Aéreo Subacuático CONFORMACION: Unipolar Bipolar Tripolar
{desnudo, protegido, aislado}
Tetrapolar Multipolar Plano Neutro concéntrico CUERDA: Circular {normal, compacta} Sectorial Anular Partida DIRECCION DEL CAMPO ELECTRICO: Radial No radial APLICACIONES: Transporte de energía Distribución Instalaciones fijas Instalaciones móviles Para alta temperatura Para ascensores Para otras aplicaciones especiales REPUESTA AL FUEGO: No propagante de llama No generador de gases tóxicos No generador de gases corrosivos Mantenimiento del servicio aún quemado REPUESTA AGENTES QUIMICOS: Resistentes a hidrocarburos Resistente a ácidos Etc. PROTECCION MECANICA: Con armadura Sin armadura INGRESO DE AGUA: Diseño húmedo Diseño seco TENSION: Baja tensión Media tensión Alta tensión CATEGORIA: Categoría I
{longitudinal, transversal}
Categoría II
Material Aislante: Se denomina así a cualquier material que es mal conductor del calor o la electricidad y que se emplea para suprimir su flujo. El aislante perfecto para las aplicaciones eléctricas sería un material absolutamente no conductor, pero ese material no existe. Los materiales empleados como aislantes siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Estos materiales conductores tienen un gran número de electrones libres (electrones no estrechamente ligados a los núcleos) que pueden transportar la corriente; los buenos aislantes apenas poseen estos electrones. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico. Para la elección del material aislante hay que tener en cuenta la aplicación. El polietileno y poliestireno se emplean en instalaciones de alta frecuencia, y el mylar se emplea en condensadores que seleccionar los aislantes la temperatura máxima que debaneléctricos. resistir. ElTambién teflón sehay emplea para temperaturas altas, según entre 175 y 230 ºC. Las condiciones mecánicas o químicas adversas pueden exigir otros materiales. El nylon tiene una excelente resistencia a la abrasión, y el neopreno, la goma de silicona, los poliésteres de epoxy y los poliuretanos pueden proteger contra los productos químicos y la humedad.
Materiales aislantes: Papel impregnado con aceite
En muchas aplicaciones electrotécnicas, el papel se utiliza impregnado o sometido a tratamiento especiales que eliminan su humedad y aumentan sus propiedades dieléctricas. Debido a esto se utilizan en la fabricación de cables eléctricos. A continuación se estudian algunos de estos tratamientos. Debido la impregnación del papel con barnices, aceites, resinas, etcétera, se consiguen diversos resultados: 1 la mayor parte de los materiales de impregnación contribuyen a formar superficies pulidas. 2 generalmente, los materiales de impregnación aumentan la resistencia al calor del material básico. 3 en algunos casos, el llenado de los poros reduce la tendencia a la contracción. 4 los materiales de impregnación tienden a aumentar la conductividad térmica del
papel, los materiales de impregnación llenan los poros del papel y tienden a eliminar la humedad. 5 se aumenta la rigidez dieléctrica aunque el papel esté completamente seco, ya que se elimina el aire ocluido que es causa. La impregnación se realiza con aceite fluido, similar al de los transformadores, o con aceite espeso, constituido por una mezcla del 75 % de aceite mineral y 25 % de colofonia, que es una resina natural procedente de los residuos de la destilación de la esencia de trementina, que se obtiene del pino y otras coníferas. El aceite espeso no debe fluir a temperaturas de 40 a 50° C, ni solidificarse a temperaturas inferiores pero, en cambio, ha de ser suficientemente fluido para permitir una buena impregnación del papel en caliente a 130° C. La masa aislante que resulta es consistente pero plástica a la temperatura ordinaria, volviéndose fluida en caliente, por lo que el papel la absorbe, rellenando así todos los poros y evitando de esta forma la ionización del aire, lo que provoca, como ya sabemos, un aumento de las pérdidas dieléctricas del papel. Para evitar la entrada de humedad, los cables u otros elementos conductores, aislados con papel impregnado, han de estar provistos de una cubierta estanca de plomo o de aluminio que rodea las capas aislantes, y los extremos se hacen herméticos mediante manguitos terminales. P. V. C. Policloruro de vinilo
El PVC esa partir un polímero cuya particularidad puede serpuede trabajado termoplásticamente de los 140 °C, por encima de esestaque temperatura existir desprendimiento de cloro, ocasionando dificultades para su elaboración (este desprendimiento ocasiona tanto dificultades para el manejo del material como el deterioro de las herramientas), por lo que es necesario adicionar estabilizadores y cromados de herramientas, por otro lado como la fluidez del material es escasa a temperaturas bajas es necesario para la conformación de piezas la inyección a altas presiones. El PVC tiene una amplia gama de aplicaciones debido a sus propiedades mecánicas y químicas, como también tiene influencia a facilidad de trabajo queeste tiene. Mediante la adición de otros componentes se obtienen polímeros con mejores características que el PVC puro (por ej. PVC duro, también conocido como Vinilyte, Vestolit, Vinnol), PVC resistentes a choques ( por ej. Hostalit Z). El PVC es un Plástico Versátil y Confiable, es el segundo plástico más utilizado en el mundo, el consumo anual mundial es de 25.000.000 de toneladas. Se trata de un material termoplástico, es decir que a la acción del calor se ablanda permitiendo un fácil moldeo. Al enfriarse, recupera su consistencia inicial conservando la nueva forma. En la vida diaria estamos rodeados de artículos de PVC. Sus múltiples aplicaciones le permiten remplazar con ventaja a otros materiales más costosos y pesados. El 9% de PVC fabricado en el mundo es utilizado en la fabricación de conductores eléctricos como aislación o vaina ya que formulado correctamente proporciona excelente
resistencia a la acción de la luz y el calor por muchos años. La vida útil del PVC para este grupo de productos o aplicaciones puede variar entre 15 y 100 años.
Materiales termoplásticos Poliestireno (PS)
El poliestireno es el material termoplástico más extendido alo largo de los años, esto es debido a su fácil fabricación a raíz de los años en que se implementa este producto y también por su materia prima barata. Se obtienen productos de mayor grado de polimerización con operaciones intermitentes en calderas agitadoras. La polimerización continua con que se fabrican estos materiales le suministra un peso molecular relativamente bajo M=180000. En ambos casos el poliestireno puro es un material muy frágil, por lo que su comportamiento mecánico no es demasiado favorable, siendo su sensibilidad al esfuerzo de percusión y al fisuramiento por tensiones mayor que la de otros plásticos. Las planchas e hilos de poliestireno son utilizados para revestir cables y conductores, dichos Shalon.aislantes son conocidos por los siguientes nombres comerciales, Styrofol, styroflex y También se confeccionan mediante el moldeo de inyección bobinas y otros elementos aislantes. Polietileno (PE)
El único PE blando conocido es el que se srcina a partir del etileno gaseoso, el cual se licua y luego se polimeriza. Cabe mencionar que el PE a alta presión es blando y de resistencia mecánica baja, luego con el paso de los años se consiguió un PE de mayor dureza y de menor fragilidad por cristalización. XLPE Polietileno reticulado
El Polietileno Reticulado se somete a un proceso químico mediante el cual las moléculas de material base se entrecruzan, dando lugar a un material, que con la flexibilidad del polietileno normal, mejora de manera muy notable su resistencia a la presión a elevadas temperaturas, permitiendo valores de trabajo de hasta +95ºC para una vida mínima de 45 años de servicio. El polietileno reticulado, material universalmente empleado para baja y media tensión representa uno de los desarrollos tecnológicos más importantes de los últimos años en lo que a construcción de cables eléctricos se refiere.
Podemos decir que combina las excelentes propiedades eléctricas del polietileno termoplástico con las características mecánicas y físicas que están determinadas por su naturaleza termoestable. La transformación del polietileno termoplástico a polietileno reticulado se logra a través de un proceso químico, en el cual, con agregados de reactivos orgánicos, se obtiene un reacondicionamiento molecular por medio del que se substituye parte de los enlaces lineales por enlaces transversales, confiriéndole así al material una excepcional estabilidad térmica y mecánica, conservando las características eléctricas del polietileno termoplástico. Es de destacar que los cables , debido al aislante utilizado (aislación seca), presentan una sustancial ventaja cuando se realiza un proyecto de distribución de energía, ya que los empalmes y terminales se llevan a cabo con gran facilidad, sin que se requiera para ello personal especializado. Esta ventaja se mantiene aunque deba trabajarse en situaciones críticas de espacio. Etileno-propileno
También es un material muy moderno. Se trata de un copolímero de polietileno y polipropileno; según varíe el contenido de uno u otro de estos dos materiales básicos, pueden variar también las características del cuerpo resultante, que van desde las de un termoplástico a las de un elastómero, con todas las propiedades de éste. Se han desarrollado industrialmente dos tipos de etileno-propileno: a) Copolímero de 50 % de polietileno y 50 % de polipropileno, siendo sus características las correspondientes a un elastómero vulcanizado. b) Copolímero de 20 % de polietileno y 80 % de polipropileno, cuyas características corresponden a las de un termoplástico, con las ventajas del polipropileno frente a las temperaturas y las del polietileno en lo que hace referencia a la rigidez mecánica. Este material puede emplearse como aislamiento de cables subterráneos y, en algunos casos como cubierta exterior de esos mismos cables. Su empleo es muy reciente, aunque se prevé como posible sustituto de la goma butílica para todas las aplicaciones de esta. Elastómeros de silicona:
Se emplean en la Aislación de conductores eléctricos de las dos formas siguientes: a)por extrusión. b) por impregnación en tejido de vidrio. Los primeros usos de las siliconas en el aislamiento de conductores eléctricos, han sido consecuencia de los problemas militares, sobre todo en lo que se refiere a las siguientes exigencias de funcionamiento: a) b)
elevada resistencia de aislamiento en atmósfera muy húmeda. elevación de las temperaturas de servicio por reducción de peso y de volumen.
De esta forma, los cables aislados con elastómeros de silicona han sido homologados en las Marinas de diversos países. En los buques de guerra equipados con este tipo de cables, y para el conjunto del cableado eléctrico de una unidad, se aprecia una reducción de peso de 20 %, y una economía de volumen dé 30 %. En la Aviación de varios países solamente los cables aislados con elastómeros de silicona permiten obtener las características exigidas a los conductores resistentes al fuego. Las aplicaciones a la Aviación y a la Marina se extienden a toda la instalación eléctrica, es decir: a) cables de encendido. b) cables de conexión entre generadores y cuadros de distribución. c) cables de distribución. d) cables de alimentación de motores. e) cables de alumbrados. f ) cables de telecomunicaciones. En estas aplicaciones, y en lo que se refiere a los cables aislados con cintas de vidrio impregnados de elastómeros de silicona, se obtiene una temperatura de servicio de 125° C, para intensidades de 1 000 a 2 000 A y tensiones hasta 7 500 V. Para, las fundas extruidas, la tensión puede alcanzar hasta 5 000 V, para intensidades de 500 A, con una temperatura de servicio que es también de 125° C. En algunas ciudades americanas se están realizando interesantes experiencias: las redes subterráneas de distribución de estas ciudades han sido parcialmente reemplazadas por cables aislados con elastómeros de silicona, con lo que se ha conseguido aumentar la potencia sin tener necesidad de cambiar las canalizaciones de cemento para los cables. Resumiendo, se puede decir que, aunque los cables aislados con elastómeros de silicona resultan más de mayor valor económico que los cables usuales, esta desventaja queda compensada en muchos casos, ya que evitan frecuentes reemplazamientos y aseguran una inigualable seguridad de servicio. Caucho silicona
El caucho de silicona es un material muy resistente a la alta temperatura, muy flexible y de óptimas características aislantes, gransiendo resistencia a los agentes químicos,la al ozono, a los choques térmicos y al envejecimiento, su propiedad más importante conservación de sus excelentes cualidades dentro de un rango de temperaturas de servicio muy amplio, - 60° C a + 200° C, y con formulaciones especiales se pueden fabricar cables para temperaturas de servicio de + 300° C. Especificaciones técnicas temperatura de servicio : 60° C a + 200° C. picos de temperatura : a + 250° C. buena resistencia a : los rayos ultravioleta, los choques térmicos, envejecimiento. tensión de servicio : 750 V. tensión de ensayo : 2000 V. normas de fabricación y ensayo : IRAM 2382/85, IRAM 2022/78. fabricación : conductores interiores :
Polipropileno
Es un plástico muy moderno, cuyo monómero es el properzo propileno, de fórmula estructural CH3 - CH = CH2. Este cuerpo debidamente activado, se polimeriza, obteniéndose el polipropileno, cuya fórmula general es la siguiente:CH3 - CH – CH2 – El cuerpo resultante es incoloro o de coloración clara, muy ligero (peso específico, 0,9 gr/cm3), muy duro y con buena resistencia al choque y a la tracción. Tiene también excelentes propiedades eléctricas, gran resistencia a los agentes químicos y a los disolventes, a la temperatura ordinaria. Se emplea en aislamientos eléctricos para cables. Algunas denominaciones comerciales: Hostalen PPH, Moplen, Profax.
Características generales de los materiales conductores Se denomina conductor a todo material que permite el paso continuo de una corriente eléctrica, cuando está sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para una diferencia de potencial determinada, cuanto mayor es la densidad de la corriente, tanto más eficiente es el conductor. Tambiénalseflujo podría decir que conductor eléctrico cualquier material que ofrezca poca resistencia de electricidad. La diferencia entreesun conductor y un aislante, que es un mal conductor de electricidad o de calor, es de grado más que de tipo, ya que todas las sustancias conducen electricidad en mayor o en menor medida. Un buen conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve prácticamente infinita. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones Virtualmente, todos los materiales en estado sólido o líquido tienen propiedades conductoras, pero muchos materiales son relativamente mejores desde este punto de vista, mientras que otros carecen de esta propiedad. Por ejemplo, los metales son los mejores conductores, mientras que otras sustancias como óxidos y sales metálicas, minerales, materias fibrosas, etc., tienen conductividad relativamente baja que, sin embargo, es afectada favorablemente por la absorción de la humedad. Hay ciertos materiales poco conductores, como el carbón y determinadas aleaciones, que también tienen interés electrotécnico.
Conducción eléctrica Se puede definir la conducción eléctrica como el movimiento de cargas eléctricas en el espacio. La conductividad eléctrica puede ser de dos clases: a) Conducción electrónica. En este caso, los portadores de cargas son los electrones libres. En ausencia de campo electromagnético exterior, el movimiento electrónico es desordenado; la superposición de un campo electromagnético exterior provoca una
orientación de los electrones hacia el polo positivo del campo aplicado. b ) Conducción iónica. Acá, los portadores de cargas son los átomos ionizados, es decir, átomos a los que faltan electrones (carga positiva) o a los que sobran electrones (carga negativa). Cuando no hay campo electromagnético exterior, el movimiento de los iones es el resultado de la agitación térmica y, por lo tanto, entre ellos se producen choques y frenados, y movimientos desordenados. Al aplicar un campo electromagnético exterior, el movimiento de los iones queda orientado en el sentido de un polo, según sea su carga. La conductividad iónica aumenta con la temperatura ya que ésta aumenta la movilidad de los iones; el campo electromagnético exterior es la causa de la orientación de los movimientos iónicos. La orientación de los movimientos, electrónicos o iónicos, serán tanto más acusados cuanto mayor sea el campo electromagnético exterior aplicado. Los movimientos electrónicos serán mucho más rápidos que los iónicos, ya que el electrón tiene una masa mucho menor que la del átomo ionizado y, por lo tanto, una inercia que es también mucho menor.
Propiedades generales de los materiales conductores Estas propiedades se pueden clasificar en tres grupos: Propiedades eléctricas. b ) Propiedades mecánicas. c) Propiedades físico-químicas. Las propiedades eléctricas son las más interesantes para el electrotécnico. Pero no deben olvidarse las restantes propiedades citadas, ya que de nada servirá un material buen conductor de la corriente eléctrica si no pudiera resistir los esfuerzos mecánicos sin romperse, o los calentamientos sin descomponerse.
Propiedades eléctricas de los materiales conductores Las propiedades eléctricas que han de tenerse en cuenta para determinar la calidad de los materiales conductores, son las siguientes: Resistencia eléctrica. b) Resistividad. Conductividad. Resistencia eléctrica de los materiales conductores La resistencia eléctrica R, de un conductor constituye una oposición al paso de la corriente eléctrica. Se define como la relación entre la tensión constante U, aplicada a sus extremos y la corriente permanente I que circula por el conductor, es decir, que se trata de un coeficiente de proporcionalidad entre ambas magnitudes, expresado por R=U/I. Para un material conductor , la resistencia R es independiente de la tensión aplicada U y de la corriente I que circula por el circuito formado con ese conductor y es en realidad,
un parámetro que depende de la naturaleza y dimensiones del material considerado. En conductores de sección uniforme, relativamente chica respecto a su longitud, la resistencia es directamente proporcional a la longitud l e inversamente proporcional a la sección s, de forma que puede expresarse por R=ρl/s en la que ρ es el coeficiente de proporcionalidad, distinto para cada material conductor y denominado resistividad. La unidad práctica de resistencia es el ohmio Ω ( ), definido como la resistencia eléctrica de un circuito recorrido por la corriente de 1 amperio, con la diferencia de potencial de 1 voltio.
Variación de la resistencia con la temperatura Dada la influencia que tiene la temperatura t, sobre los valores de la resistividad y de la conductividad, se acostumbra a hacer constar aquélla mediante un subíndice: así,ρ20 significa la resistividad a 20° C.
Constante de temperatura Se ha comprobado que el incremento de resistividad de un material conductor, por cada grado de aumento de la temperatura, es una constante c del material, independiente de la resistividad inicial de la muestra, de la temperatura inicial y de la calidad de la muestra.
Propiedades mecánicas de los materiales conductores Los materiales conductores empleados en Electrotecnia han de poseer cierto número de propiedades mecánicas, que permitan un empleo adecuado a los fines propuestos con su utilización entre los que, a continuación, se definen los más importantes: Los materiales conductores están sometidos a esfuerzos mecánicos de tracción, compresión, flexión y cortadura. Se definen: Coeficiente de trabajo a la tracción σt =Ft/s kg/mm2
Ft = esfuerzo o carga de tracción que el material puede resistir con seguridad en kg s = sección normal a la carga, en mm2 Coeficiente de trabajo a la compresión: σc =Fc/s
kg/mm2
Fc = esfuerzo o carga de comprensión que el material puede resistir con seguridad en kg s = sección normal a la carga, en mm2 Coeficiente de trabajo a la flexión
σf =Ff/s
kg/mm
Ff = esfuerzo o carga de flexión que el material puede resistir con en kg. S = sección normal a la carga, en mm2.
seguridad,
Coeficiente de trabajo a la cortadura σco =Fco/s
kg/mm
Fco = esfuerzo o carga de cortadura que el material puede resistir con seguridad, en kg s = sección normal a la carga, en mm2 Todos los materiales se deforman más o menos cuando se los somete a estos esfuerzos mecánicos. Estas deformaciones pueden ser elásticas y permanentes. La deformación se denomina elástica cuando el material vuelve a su forma y dimensiones srcinales, una vez suprimido el esfuerzo, y permanente, en caso contrario. El esfuerzo que produce la aparición de una deformación permanente, se denomina límite elástico de trabajo o límite de elasticidad; por debajo de este valor, el material es elástico y, en general, la deformación resulta proporcional al esfuerzo. Si continuamos aplicando a un material esfuerzos cada vez mayores por encima del límite elástico, llega un momento en que el material se rompe; el esfuerzo mínimo que produce la rotura se denomina límite de rotura o carga de rotura y se expresa en kg/mm2. Como los materiales conductores se utilizan generalmente en forma de alambres y de cables, las deformaciones producidas en estos materiales por los esfuerzos mecánicos, son alargamientos y acortamientos. La ley de Hooke dice que, por debajo del límite elástico, hay proporcionalidades entre los alargamientos (o acortamientos), y los esfuerzos. Cuando se somete un material a esfuerzos de tracción hasta la rotura, el alargamiento que sufre el material se denomina alargamiento a la rotura y constituye un índice de la ductilidad del material; está expresado por ∆I =( l - lo)/s mm/mm llo= = longitud la que se longitudainicial, enproduce mm. la rotura, en mm s = sección transversal, en mm2 El módulo de elasticidad, llamado también módulo de Young, es la relación entre el esfuerzo de tracción y el alargamiento producido por este esfuerzo. Es una característica propia del material, y está expresado por M = Fx l / (s x ∆l)
kg/mm2
F = esfuerzo de tracción, en kg s = sección transversal inicial, en mm2 l = longitud inicial, en mm
∆
l = alargamiento, en mm
Conductividad térmica. Se llama así a la facilidad que un material presenta al paso del calor; la conductividad térmica tiene lugar cuando todos los puntos de un material no están a la misma temperatura; entonces, el calor se propaga de molécula a molécula, desde los puntos más calientes a los más fríos. Si se considera una placa de caras paralelas, de espesor finito y de dimensiones transversales infinitas, donde cada cara se mantenga a temperatura constante, se produce un paso de calor a través de la masa de la placa. Cuando se ha establecido el régimen permanente, la cantidad de calor que atraviesa, durante un tiempo muy corto, una pequeña sección paralela a las caras, depende de la temperatura de éstas últimas y del coeficiente de conductividad térmica del material que constituye la placa. El coeficiente de conductividad térmica es el número de calorías gramo que atraviesan perpendicularmente, en un segundo, una superficie de un centímetro cuadrado de una lámina que tenga un centímetro de espesor y cuyas caras se mantengan a temperaturas que difieran entre sí, un grado C. La conductividad térmica de un material es un índice de la mayor a o menor dificultad con que este material permitirá la transmisión del calor, generado por efecto Joule, a los cuerpos próximos y al ambiente que le rodea. Cuanto mayor sea el coeficiente de conductividad térmica, más fácilmente se evacuará el calor producido. Al clasificar los materiales conductores por su conductividad térmica, se puede observar que esta clasificación coincide sensiblemente con la que corresponde a la conductividad eléctrica es decir, que cuanto mejor conductor de la corriente eléctrica es un material, tanto mejor conductor del calor es. La relación entre la conductividad calorífica y la conductividad eléctricaabsoluta. es independiente de la naturaleza del metal y aumenta proporcionalmente a la temperatura
Resistencias de contacto entre materiales conductores Cuando se aplica una pieza de material conductor sobre otra, con objeto de establecer un contacto eléctrico y cualquiera que sea la presión a que estén sometidas, ambas piezas quedan separadas por una distancia bastante grande, en relación con las dimensiones atómicas:) ajustándolas se consiguen separaciones de μ 1 entre ambas piezas, mientras que el átomo es unas 1 000 veces más pequeño. En estas condiciones puede entenderse fácilmente que las resistencias de contacto entre las dos piezas, pueden tener un valor considerable. Por consiguiente, y de acuerdo con lo expresado en el párrafo anterior, resulta que él paso de energía eléctrica de una pieza a otra, se efectúa de dos formas: a) a través de una zona de contacto íntimo, o zona de conducción. b)a través de una zona de disrupción, donde el gradiente de tensión puede alcanzar valores elevados, próximos a la rigidez dieléctrica del aire o del aislante que separe ambas zonas en contacto. Como en los contactos, tal como se ha visto, se presentan, simultáneamente, fenómenos conductores y fenómenos disruptivos, no es posible aplicar en este caso la ley de Ohm. Definiremos la resistencia de contacto como la relación existente entre la tensión en los bornes de un contacto y la intensidad de corriente que atraviesa este contacto. La resistencia de contacto no es constante y depende, entre otras causas:
a)
de la presión a que están sometidas las piezas, o presión de contacto
b) c) d) e) f)
de la composición de las piezas en contacto de la forma y sección de las piezas en contacto de la naturaleza del medio ambiente del sentido e intensidad de la corriente de la clase de corriente (continua, alterna, etc.).
Materiales conductores: Cobre
El cobre es un metal rojo, más o menos oscuro. Es, después de la plata, el mejor conductor de la electricidad y el calor. Es muy dúctil y maleable ; cuando se deforma en frío duplica su resistencia mecánica y su dureza, pero se reduce su alargamiento a la rotura. Este aumento de resistencia que produce la deformación en frío se aprovecha para muchas de las aplicaciones del cobre, pero existe el inconveniente de que obliga a recocerlo frecuentemente cuando se lamina o estira. En Electrotecnia, se utilizan varias clases de cobre en las que se admiten otros productos metalúrgicos, aunque solamente con el carácter de impurezas. A continuación se enumera las clases de cobre electrotécnico: Cobre electrolítico: se obtiene electrolíticamente, por refinado: un electrodo de cobre puro hace de cátodo y un electrodo de cobre con impurezas hace de ánodo; el cobre electrolítico se deposita sobre el cátodo. Cobre recocido: el cobre recocido llamado también cobre blando tiene una resistencia a la rotura de 22 a 28 kg/mm2. El cobre recocido, a 20° C de temperatura ha sido adoptado como cobre tipo para las transacciones comerciales en todo el mundo. El cobre recocido es dúctil y maleable, se maquina fácilmente y se utiliza, sobre todo, para la fabricación de conductores eléctricos que no hayan de estar sometidos a grandes esfuerzos mecánicos (por ejemplo, en instalaciones interiores). Cobre serniduro: Tiene una resistencia a la rotura de 28 a 34 kg/mmz y no es tan dúctil ni maleable como el anterior. Se utiliza en líneas aéreas, con vanos que no excedan de 40 a 50 m. Cobre duro: El cobre duro se obtiene aprovechando la circunstancia, apuntada anteriormente de que este metal, trabajado en frío, adquiere dureza y resistencia mecánica, aunque a expensas de su ductilidad y maleabilidad. El cobre duro tiene una carga de rotura de 35 a 45 kg/mm2 y por sus buenas propiedades mecánicas se emplea para conductores de líneas eléctricas exteriores, donde han de estar sometidos a esfuerzos mecánicos elevados; este tipo de cobre no es muy empleado en instalaciones interiores, debido a que se maquina más difícilmente, que el cobre recocido, anteriormente citado. Cobre duro telefónico: Tiene gran resistencia mecánica (de 50 a 70 kg/mm2) y aunque se ha empleado algunas veces para conductores de líneas eléctricas aéreas, su principal campo de aplicación lo constituye las líneas de telecomunicación.
Cable de cobre desnudo: Principales aplicaciones: Los cables de cobre en función de su temple y construcción, se usan sobre aisladores en líneas de distribución eléctrica. En conexiones de neutros y puestas a tierra de equipos y sistemas eléctricos. Características : El material de los cables, es cobre de alta pureza con un contenido mínimo de 99.9% de cobre. Los cables se fabrican en construcción concéntrica. Se fabrican en calibres de 0.519 1 a 506.7 mm2 (20 AWG a 1 000 kCM). Temple duro, semiduro o suave dependiendo de los requerimientos. Estos productos se ofrecen en empaques de carrete. Ventajas : Por su alta conductividad eléctrica el cobre es el metal ideal para las instalaciones eléctricas. Los conductores de cobre son resistentes a la corrosión. Ofrecen una gran resistencia mecánica. Mayor flexibilidad por su construcción. Ventajas de los Conductores de Cobre en las Redes de Distribución en Baja Tensión: 1. El conductor de cobre es el más eficiente porque posee menor resistividad. 2. El cobre presenta una mayor capacidad de conducción. Si tomamos como ejemplo un conductor de cobre y otro de aluminio del mismo calibre; el primero tendrá una capacidad de conducción 28% superior a la del segundo. 3. En un conductor de cobre, las pérdidas por Efecto Joule son un 58% menores con respecto al aluminio. 4. El cobre presenta mayor caída de tensión que el aluminio. 5. Los conductores de cobre no necesitan el uso de "manguitos" bimetálicos o conectores. 6. La presencia de cobre en los conductores garantiza la eliminación de probables fallas srcinadas por falsos contactos debido a óxido no conductivo (como ocurre con el aluminio). 7. La utilización de conductores de cobre proporciona una mayor facilidad en el empleo de soldaduras terminales y/o empalmes. A todo 8. ello, se añade que el cobre es fuente de trabajo desde el proceso de extracción y refinación hasta su transformación. Sin olvidar que contribuye positivamente a la balanza comercial. Aluminio
Solamente presenta un 63% de la conductividad eléctrica del cobre para alambres de un tamaño dado, pero pesa menos de la mitad. Un alambre de aluminio de conductividad comparable a un alambre de cobre es más grueso, pero sigue siendo más ligero que el de cobre. El peso tiene mucha importancia en la transmisión de electricidad de alto voltaje a larga distancia, y actualmente se usan conductores de aluminio para transmitir electricidad a 700.000 voltios o más.
El aluminio es un metal blanco brillante. Tiene pequeña resistencia mecánica y gran ductilidad y maleabilidad, que permite forjarlo, trefilarlo en hilos muy finos y laminarlo en láminas de espesores hasta 0,4 micras; a la temperatura de 500° C se vuelve frágil y se puede pulverizar fácilmente. La propiedad química más destacada es su gran afinidad por el oxígeno del aire lo que, aunque parezca un contrasentido, hace que el aluminio sea completamente inalterable en el aire, si se recubre de una fina capa de óxido de aluminio, que es muy adherente e impermeable, y que actúa a manera de protección del resto de la masa contra la intemperie. Debido a esta película protectora resiste también la acción del vapor de agua, del ácido nítrico concentrado y de los gases y humos industriales; sin embargo, es atacado por el ácido sulfúrico, ácido clorhídrico, ácido nítrico diluido y por las soluciones salinas. La duración del aluminio depende, esencialmente de su pureza. Un aluminio con gran contenido de cobre se descompone aunque tenga ya formada la capa exterior protectora de óxido de aluminio ya que en el presente caso, esta capa no permite el progreso de la composición hacia el interior del metal. Por otra parte el aluminio químicamente puro es muy blando y su carga a la rotura es muy pequeña por lo que no puede emplearse como conductor para líneas aéreas que pueden estar sometidas a grandes esfuerzos mecánicos. Es muy interesante la comparación de las propiedades eléctricas y mecánicas del aluminio y del cobre. Dados los valares de sus pesos específicos y de las resistividades de ambos metales, la relación Aluminio = 2.7 x 2.82 = 1 Cobre 8.95 x 1.71 2 Por otra parte, el precio del cobre con en el mercado es, aproximadamente, el doble que el del aluminio, lo que quiere decir que este último metal resulta competitivo con el del cobre. Si a esto se le añade el menor peso específico del aluminio, vemos la causa por la cual el aluminio ha sustituido al cobre en muchas aplicaciones.
Aleaciones dé aluminio
El aluminio puede alearse con cierto número de otros metales, con el consiguiente aumento de resistencia mecánica y dureza. En algunas aleaciones, todavía puede aumentarse más la resistencia mecánica mediante un tratamiento térmico adecuado. Los metales más empleados en estas aleaciones son: cobre, silicio, manganeso, magnesio, cromo y zinc. El aluminio puro, aun cuando haya sido preparado para tener resistencia mecánica, es siempre un metal relativamente débil desde este punto de vista. En las piezas fundidas se obtiene un aumento de la resistencia mecánica por adición de algún elemento de aleación. Las aleaciones más adecuadas para el laminado en frío contienen, por lo general, un contenido de aluminio comprendido entre 90 y 95 %. Mediante elementos de aleación adecuados y con apropiados tratamientos térmicos, se pueden obtener aleaciones con las que es posible alcanzar cargas de rotura del orden de 58 kg/mm2 ,con pesos específicos comprendidos entre 2,65 y 3 g/cm3. Tienen especial importancia las aleaciones de aluminio empleadas para conductores de líneas eléctricas aéreas que tiene las características de una conductividad eléctrica algo menor que la del aluminio comercial, pero una resistencia mecánica bastante
mayor, gracias a la aportación de diversos elementos de aleación y a tratamientos térmicos y mecánicos especiales. Estas aleaciones se conocen comercialmente con los nombres de Almelec , Aldrey y otros, y aunque sus procedimientos de fabricación son distintos, todas tienen en común una composición química muy parecida y análogas propiedades mecánicas y eléctricas. Su composición química aproximada, es la siguiente: Aluminio . . . . . . . . 98,7 % Magnesio . , . . . . . . . 0,5 % Silicio . . . . . . . . . 0,5 % Hierro . . . . . . . . . 0,3 % Las normas españolas UNE establecen que la aleación de aluminio para conductores de líneas eléctricas aéreas, ha de tener una composición que incluya el aluminio como elemento fundamental, con adición de magnesio y de silicio. El resto de los elementos constituyentes se consideran como impurezas y no debe exceder dé 0,5 % y la proporción de cobre no debe exceder, en ningún caso, de 0,01 %. Entonces la aleación de aluminio resultante tiene una resistencia a la corrosión por lo menos igual a la del aluminio comercial. Aluminio- Acero El acero se encuentra en el interior del conductor, con el fin de darle mayor resistencia a los esfuerzos que este debe soportar. Se utilizan en líneas aéreas de transmisión de energía eléctrica en media y alta tensión. Construcción: Conductores de alambre de aluminio puro o aleación de aluminio cableados sobre un alma de alambre de acero cinchado. Normas de fabricación y ensayo : IRAM 2187 - NBR 7270
FORMA DE INSTALACION: En los párrafos siguientes se detalla el cable que se debe utilizar según donde sea la instalación del mismo o la función que cumpla. También se mencionará el tipo de material utilizado y su tensión de trabajo. Instalaciones Aéreas Desnudas .
Cables de aluminio grado eléctrico para conexionado en estaciones tansformadoras. Alambres y cables de cable duro. Cables de cobre desnudos para antena y toma de tierra. Cables de aluminio grado eléctrico o aleación de aluminio con alma de acero para líneas aéreas de alta tensión. Cables de aleación de aluminio para líneas aéreas de baja y media tensión. Instalaciones Interiores Fijas o Móviles Alambres, cables y cuerdas flexibles de cobre recocido aislado en PVC "Contrafuego" para instalaciones fijas interiores. Cables flexibles de cobre aislados con PVC, Vaina redonda de PVC, tipo taller. Cables flexibles de cobre para batería y arranque. Instalaciones Aéreas Aisladas o Protegidas
.
Cables de cobre duro o aluminio aleación aislados con policloruro de vinilo. Cables preensamblados para líneas aéreas de distribución de aluminio con aislación de polietilenoreticulado. Cables preensamblados de cobre aislados con polietileno reticulado para acometida domiciliaria. Cables de cobre antihurto aislados con polietileno Reticulado con conductor concéntrico de cobre y vaina de polietileno reticulado para acometida a clientes. Cables preensamblados de aluminio puro aislados con polietileno reticulado para M. T. Instalaciones de fuerza y/o Iluminación de Alta Tensión
Cables tipo "Contrafuego" con conductores de . cuerdas de cobre o aluminio grado eléctrico, aislados en PVC, rellenos de material sintético, con o sin armadura de flejes de acero galvanizado y vaina exterior de PVC "Contrafuego" para redes con tensiones nominales de hasta 1100 Volts y 3300 Volts. Cables tipo "Contrafuego" con conductores de cuerdas de cobre o aluminio grado eléctrico aislados en polietileno reticulado. Rellenos de material sintético con o sin armadura de flejes de acero galvanizado y vaina exterior de PVC "Contrafuego". Para redes con tensiones nominales de hasta 1100 Volts.
Instalaciones de Fuerza Media y Alta Tensión Cables tipo "Contrafuego" con conductores de cuerda de cobre o aluminio grado eléctrico, aislados en polietileno reticulado con material semiconductor debajo y sobre la Aislación aplicada mediante el método de "triple extrusión simultanea", apantallados individualmente con cintas y alambres de cobre, rellenos de material sintético, con o sin armadura de fleje de acero galvanizado y vaina exterior de PVC "Contrafuego". Para redes con tensiones nominales de hasta 69000 Volts.
Cables tipo taller y vaina chata Utilización: Instalaciones móviles, industriales, domésticas o en aparatos portátiles, excluyendo aparatos de calefacción, hasta 500V. Construcción: Conductores dePVC cobreretardante recocido, de clase 5. Aislaciones de la llama. Envoltura exterior de PVC retardante de la llama. Armadura de acero opcional. Temperatura máxima de operación: 70ºC Normas de fabricación y ensayo : IRAM 2158 - IEC 60227
Cables para instalaciones tipo subterráneas. Utilización: Subterráneos, directamente enterrado, en bandejas o a la intemperie; en redes industriales o de distribución hasta 1,1kv.
Construcción: Conductores de Cu clases 1; 2; 4 ó 5 y de AL clases 1 ó 2. Aislaciones de PVC retardante de la llama o XLPE. Envoltura exterior de PVC retardante de la llama. Armadura de acero opcional. Temperatura máxima de operación: PVC 70ºC - XLPE 90ºC Normas de fabricación y ensayo : IRAM 2178 - IEC 60502-1
a = Conductores de Cu recocido, clases 1;2; 4 ó 5 y de Aluminio puro, clases 1 ó 2. b = Aislaciones de PVC retardante de la llama, o XLPE. c = Envoltura exterior de PVC retardante de la llama o de XLPE: d = Relleno de PVC retardante de la llama. e = Armadura de flejes o alambres de acero, opcional. Armadura noalambres magnética of =Al. , trenza de depara Cu. cables unipolares, por ej.:alambres de Cu recocido; flejes de Cu
Neutro concéntrico En el caso de requerirse un cable para un sistema con neutro rígido a tierra, el neutro podrá no ser aislado, en cuyo caso podrá utilizarse el cable con conductor neutro formado por un conjunto de alambres de cobre electrolítico cableados concéntricamente bajo la vaina exterior. En este caso la armadura de acero no resulta exigida pues el neutro provee una adecuada protección contra daños eléctricos y mecánicos.
Blindaje eléctrico Su inclusión se realiza en los cables de media y alta tensión. Está constituido por compuestos semiconductores reticulables aplicados mediante el proceso de triple extrusión simultánea. Técnica esta que elimina la contaminación del aislante. Este proceso proporciona un blindaje integral que tiene como objeto confinar el campo eléctrico al aislamiento en su superficie interior y lograr un gradiente de potencial radialmente uniforme. Sobre la capa semiconductora externa de la aislación se dispone una pantalla electrostática constituida por alambres de cobre y/o cintas de cobre. Este blindaje constituye la protección eléctrica contra contactos involuntarios y en caso de averías mecánicas graves, debe prevenir las peligro Las tensiones de contacto, la descarga de la corriente capacitiva del cable en servicio normal y de la corriente de cortocircuito en caso de falla. Este blindaje para cumplir con su fin debe estar conectado a tierra, además de tener continuidad en los empalmes. La pantalla eléctrica requerida en la norma IRAM 2178 debe poseer una resistencia eléctrica no mayor de 3,3 ohm/km a 20 °C.
Existen casos donde, por las características de la red y el tiempo de actuación de sus protecciones, la pantalla normalizada no es suficiente para conducir la corriente de cortocircuito calculada. En dichos casos la pantalla se deberá dimensionar en forma particular y su valor se deberá incluir como un requisito especial en el momento de hacer el pedido del cable.
PROTECCION MECANICA: En los cables del tipo armado se dispone debajo de la cubierta externa una armadura de protección mecánica que podrá estar constituida por alambres de acero galvanizados o bien mediante flejes de acero galvanizados aplicados helicoidalmente con superposición adecuada. Es aconsejable el empleo de cables armados en todos los casos de instalación subterránea exenta de otras protecciones y en aquellos donde se quiera tener una resistencia adicional contra daños mecánicos, ataque de roedores y adecuada protección eléctrica, para lo cual deberá conectársela a tierra a intervalos regulares. Los cables unipolares para corriente alterna monofásica y trifásica en general no llevan armaduras a fin de evitar pérdidas eléctricas adicionales. En el caso que por razones de seguridad se requiera, la armadura estará constituida por un material no magnético.
CATEGORÍAS DEL CABLE DE ACUERDO CON LA TENSIÓN DE LA RED Lasel nivel normas internacionales, IRAM, de toman en consideración para determinar de aislamiento de losincluyendo cables, la duración la sobretensión que se srcina al producirse una falla a tierra. A esto se debe que, por seguridad de los cables, tenga tanta importancia la duración como el valor mismo de la sobretensión. En relación a este criterio la norma IRAM 2178 clasifica las redes o sistemas eléctricos de la siguiente forma: CATEGORÍA I: Comprenderá las redes en que, en el caso de falla de una fase contra tierra, el cable es retirado de servicio en un tiempo no mayor de 1 h. Cuando se utilicen cables con conductores aislados, individualmente apantallado, podrán ser toleradas duraciones más prolongadas, pero en ningún caso dichos períodos serán mayores de 8h. Se preverá que estas situaciones anormales no se presenten frecuentemente. CATEGORÍA II: Comprenderá todas las redes que no están incluidas en la categoría I. En una red no rígidamente puesta a tierra, ante una falla de una fase contra tierra, si no es rápidamente eliminada la anomalía, el incremento del gradiente de potencial al que queda sometida la aislación de las otras fases, reduce su vida útil.
CORRIENTE ADMISIBLE DE CORTOCIRCUITO Las condiciones más desfavorables de trabajo de un cable se presentan tanto desde el punto de vista mecánico como térmico en los casos de cortocircuito. Entre los efectos que se producen en los cables por las corrientes de cortocircuito, que son diversos y de una cierta complejidad, los más importantes son los que se enumeran a continuación. EFECTOS DIRECTOS DEL CALOR SOBRE EL CONDUCTOR Y LOS EMPALMES: Se manifiestan por una elevación de la temperatura en el conductor, que de sobrepasar cierto valor en la zona de un empalme puede producir el deterioro del mismo. EFECTOS DIRECTOS DEL CALOR SOBRE EL DIELÉCTRICO: En la superficie que está en contacto con el conductor, pueden manifestarse envejecimientos del aislante. EFECTOS INDIRECTOS DEL CALOR POR DILATACIÓN LONGITUDINAL DEL CONDUCTOR Originan dobleces del conductor por flexo presión, principalmente en los empalmes y terminales. EFECTOS DIRECTOS DE LAS FUERZAS ELECTROMAGNÉTICAS Consistentes en la deformación del cable por atracción mutua de los conductores en un cable multipolar. EFECTOS DE LA ACCIÓN COMBINADA DE LAS FUERZAS DE DILATACIÓN Y ELECTROMAGNÉTICAS: Manifestándose por el aplastamiento o deformación del dieléctrico, lo que viene facilitado por las elevadas temperaturas presentes en el momento del cortocircuito. El calentamiento del conductor en caso de cortocircuito se puede mantener dentro de los límitesdeadmisibles eligiendo una sección adecuada. Dicha sección mínima se calcula partiendo la duración del cortocircuito o sea del tiempo de desconexión del dispositivo protector y de la intensidad de la corriente de cortocircuito. Si como resultado del cálculo se obtienen diversos valores debe aproximarse a la sección inmediata superior.
CALCULO DE LA CAIDA DE TENSION En cables de sistema de corriente continua solamente se tiene en cuenta la resistencia óhmica en corriente continua.∆U=2.I.R.L
En cables de sistemas con corriente alterna monofásica y trifásica deben tenerse en cuenta además la resistencia y la reactancia inductiva. Corriente alterna monofásica: ∆U=2.I.L(Rcosφ+Xsenφ) Corriente trifásica: ∆U=3.I.L(Rcosφ+Xsenφ) Siendo: I: Intensidad de corriente en amperes L: longitud del cable en Km R: Resistencia efectiva por Km. de conductor, a la frecuencia de la red y a la temperatura de trabajo en Ohms X: Reactancia inductiva por Km. del cable a la frecuencia de la red en Ohms ∆ U: Caída de tensión en volts
RECOMENDACIONES PARA EL TENDIDO Y MONTAJE Es conveniente que durante las operaciones de tendido, la temperatura de los cables no sea inferior a 0 °C. Con lo cual se consigue un mayor margen de seguridad frente a los golpes y torceduras accidentales que puedan sufrir los cables durante su manipuleo. Las fuerzas de tracción no pueden ser aplicadas a los revestimientos de protección si a los conductores de cobre o aluminio, siempre que no se supere durante el tendido a los siguientes esfuerzos: Conductor de cobre 5 daN / mm2 Conductor de aluminio 3 daN / mm2 En caso de requerirse esfuerzos de tracción superiores, los cables deberán ser provistos de una armadura de alambres de acero. Con la utilización de elementos especiales puede aplicarse la fuerza de tracción a la cubierta exterior. Durante el tendido de los cables deberá tenerse en cuenta los radios de curvatura mínimos aconsejados para cada tipo, según se indica a continuación: TENSION NOMINAL DE SERVICIO 1,1 Kv/II a.- Cables unipolares 15 D b.- Cables multipolares 12 D TENSION NOMINAL DE SERVICIO 3,3 Kv a 33 Kv Cables unipolares y multipolares 15 D Siendo D el diámetro exterior del cable. Los cables pueden ser instalados en interiores, a la intemperie, en tierra o agua. El diámetro interno de pasajes y canales deben tener 1.5 veces el diámetro exterior del cable. La sujeción de cables contra paredes con abrazaderas debe ser realizada con una separación de 20 veces el diámetro del cable con un máximo de 80 cm. Para montaje vertical contra paredes con abrazaderas se pueden ampliar las distancias según el tipo de cable o el tipo de abrazadera, aún así no debe superarse una distancia de 1.5 metros. Los cables unipolares y las fases divididas deben ser sujetadas para evitar el efecto
de las corrientes de pico de cortocircuito. Los cables deben montarse de tal forma de evitar daños por aplastamientos por dilatación térmica. Permutando y conectando a tierra por un solo extremo las pantallas se disminuyen las pérdidas adicionales, siempre que se provean las medidas de seguridad debido a las tensiones de contacto resultantes.
CAPACIDAD DE CARGA DE UN CABLE La capacidad de carga de un cable depende de la temperatura máxima admisible del conductor y de las condiciones ambientales para la correcta disipación del calor. El cable se calienta debido a las pérdidas óhmicas que se producen en los conductores y en las envolturas metálicas. Las pérdidas dieléctricas son prácticamente despreciables para el polietileno reticulado. La carga se limitará de tal manera que el calor generado pueda ser eliminado en forma segura en las condiciones existentes. La eliminación del calor depende de la resistencia térmica interna, entre el conductor y la superficie del cable, como asimismo de la transmisión de calor al medio ambiente. Para determinar los factores de corrección a lo largo de una instalación deberán tenerse en cuenta varios factores, entre los cuales se destacan los siguientes: · La relación de la resistencia térmica específica entre el suelo (para cada tipo de suelo) y su contenido de humedad. · El aumento posible de la resistencia térmica específica por desecamiento del suelo. · Las acumulaciones de calor en colchones de aire debajo de tapas de protección, en canaletas, tubos, bloques de hormigón, etc. · La temperatura ambiente (tierra o aire) · El calentamiento adicional por cables instalados cerca (acumulación) proximidad de instalaciones de calefacción, etc., como asimismo por radiación solar. · El impedimento de la eliminación del calor en cables instalados en el aire. Como puede apreciarse, muchos son los factores que influyen de una manera u otra en la determinación de la carga admisible para un cable o grupos de cables, más aún si se tiene en cuenta que muchos de los factores anteriormente enumerados generalmente se desconocen o bien resultan de difícil determinación. No obstante, en instalaciones que requieran mayor exactitud en el cálculo de capacidades de carga, es aconsejable efectuar numerosas mediciones de la resistividad térmica del terreno y de la temperatura ambiente sobre todo el recorrido del cable y por lo menos para un ciclo completo de las estaciones del
año. Los valores recomendados en las tablas de cargas admisibles, en servicio continuo, calculadas de acuerdo a la recomendación IEC 287, son válidos para cables o sistemas de cables colocados individualmente y suponen condiciones ambiente uniformes y constantes.
CABLES INSTALADOS EN EL AIRE La capacidad de carga de cables instalados en aire (I máx) se obtiene de afectar la corriente admisible nominal correspondiente al cable (I AIRE) por los coeficientes de corrección por temperatura del aire (F1 ) y por la obstrucción de la convección natural producida por la acumulación de cables y el tipo de bandejas utilizadas (F2). Corriente máxima admisible: I máx = IAIRE x F1 x F2
CABLES INSTALADOS EN TIERRA La capacidad de carga de cables instalados en tierra (I máx) se obtiene de afectar la corriente admisible nominal correspondiente al cable (I Tierra) por los coeficientes de corrección por resistividad térmica y temperatura del suelo (F3), por acumulación de cables (F4) y por tipo de instalación (F5). Corriente máxima admisible: I max = I TIERRA x F3 x F4 x F5
ENSAYOS Los cables para distribución y transmisión deenergía en baja, media y alta tensión son diseñados y ensayados bajo normas de confiabilidad comprobadas como son las normas internacionales IEC (INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION), ICEA / NEMA, DIN / VDE y nacionales como la norma IRAM 2178. En un laboratorio de Control de Calidad, modernamente equipado, con personal técnico capacitado, se realizan sobre los cables todos los ensayos establecidos en las respectivas normas. Además con rigurosos procedimientos de control de calidad que permiten fabricar un producto de reconocida confiabilidad. Los ensayos se clasifican de la siguiente manera: 1. ENSAYOS SOBRE MATERIAS PRIMAS 2. ENSAYOS DURANTE EL PROCESO 3. ENSAYOS SOBRE LOTES DE PRODUCCIÓN 3.1. ENSAYOS DE RUTINA 3.2. ENSAYOS POR MUESTREO 3.3. ENSAYOS DE TIPO 1. ENSAYOS SOBRE MATERIAS PRIMAS El objeto es controlar y garantizar la uniformidad y calidad de todos los elementos
componentes del cable. · Metales conductores (cobre o aluminio) · Materiales semiconductores · Material aislante (polietileno para reticular) · Componentes de las pantallas y armaduras(cobre, aluminio, acero) · Compuestos de PVC de la cubierta externa. 2. ENSAYOS DURANTE EL PROCESO A lo largo de los diversos procesos de fabricación se controlan en forma sistemática todos los parámetros para asegurar un procesamiento acorde con las exigencias establecidas. 3. ENSAYOS SOBRE LOTES DE PRODUCCIÓN Conforme se establece en la norma IRAM 21 78 se realizan los siguientes ensayos sobre los cables : 3. 1.ENSAYOS DE RUTINA Los ensayos de rutina se realizan sobre cada largo de expedición con el objeto de confirmar la integridad del cable. Dentro de esta categoría se encuentra el cumplimiento de los siguientes requisitos: · Tensión · Descargas parciales (Ensayo nivel corona) · Resistencia eléctrica del conductor y las pantallas. 3.2. ENSAYOS POR MUESTREO Estos ensayos son realizados con una frecuencia predeterminada con el objeto de verificar que el producto cumple con las especificaciones de diseño. Esta categoría comprende los siguientes ensayos: ·· Verificación Examen del conductor de las dimensiones · Ensayo eléctrico (duración bajo tensión) · Verificación de la reticulación de la aislación y capas semiconductoras · Resistencia al pelado de las capas semiconductoras externas · Tangente del ángulo de pérdidas · Resistencia de aislación · Tracción y alargamiento, antes y después del envejecimiento. · Deformación por calor · Choque térmico · Cavidades y contaminantes de la aislación 3.3. ENSAYOS DE TIPO Son realizados a fin de demostrar características de comportamiento satisfactorias
para cumplir la aplicación para la que están destinados los cables. Estos ensayos son de una naturaleza tal que, después de su ejecución, no es necesario repetirlos, salvo que se hagan cambios en los materiales o diseño del cable que pudieran modificar las características de comportamiento.
CABLES SUBTERRÁNEOS, UN POCO DE HISTORIA La transmisión de potencias elevadas para atender demandas importantes tiene que hacerse a niveles de tensión altos En zonas urbanas, por razones de seguridad, la distribución tiene que hacerse con cables subterráneos. Desde los inicios de la distribución de energía en media y alta tensión, los cables han experimentado variaciones tanto en su diseño como en el sistema de fabricación, debido a los constantes adelantos tecnológicos desde cables con aislamiento de papel impregnado en aceite y cubierta de plomo, hasta los cables con aislamiento polimérico, usados actualmente. Los primeros cables, que se fabricaron en el último cuarto de siglo XIX, estaban aislados con gutapercha o goma vulcanizada cubierta de fibras textiles betunadas, con los que se cubrían las necesidades del transporte y distribución de energía en baja tensión. Cuando la necesidad de transportar mayores potencias a mayores distancias requirió el empleo de tensiones más elevadas, se comprobó que aquellos materiales presentaban inhomogeneidades que los hacían inadecuados para este servicio. En 1890, Ferranti desarrolló un cable aislado para 10 kV, con un encintado de papel impregnado con una mezcla a aceites minerales y resinas, que presentaba sobre los anteriores, debido al procedimiento de fabricación, la evidente ventaja de una concentricidad exacta, un espesor de aislamiento controlable y una homogeneidad en su composición. Este fue elperfectamente nacimiento de los cables aislados con papel total impregnado. Poco después, en 1914, Hochstadter introdujo el apantallamiento de cada fase aislada de estos cables, lo que permitió alcanzar tensiones de hasta 30kV. Los cables aislados con papel impregnado alcanzaron su mayoría de edad. Durante muchos años, prácticamente hasta finales de la década de los sesenta de este siglo, era inconcebible pensar, si queríamos tener la seguridad de una instalación verdaderamente fiable, en la utilización de otros cables en la gama de media tensión. Sólo la exigencia de una mayor rapidez en el tendido y la dificultad de encontrar personal suficientemente calificado para desarrollar los trabajos de vigilancia y mantenimiento de las instalaciones, a las que no se les requieren una elevada fiabilidad, aceptaba la utilización de los que se conocía como "cables secos". Por ejemplo, las Compañías Eléctricas, que exigen a sus instalaciones una gran duración sin averías, se resistieron durante muchos años al cambio a los "cables secos". Poco a poco, la mejora de las características de los aislamientos "secos" fue empujando a los cables en papel impregnado a tensiones cada vez más elevadas donde, todavía, los técnicos no se fiaban del comportamiento a largo plazo de los cables "secos". Todavía hoy, en la gama de la muy alta tensión, por encima de los 66 kV, queda un foco de resistencia de estos cables, si bien en la variedad de "cables aislados con papel impregnado en aceite fluido". Su ejemplar más inmediato es el cable submarino suministrado por Prysmian para el cruce del estrecho de Gibraltar a 380 kV, puesto en servicio recientemente. Esta fiabilidad de los cables aislados con papel impregnado con aceites minerales y cubierta de plomo, armados o no, queda probada por la existencia, todavía en servicio, de cables, que fueron instalados a principios de siglo.
Hoy en día la distribución subterránea en tensiones de hasta 30,000 voltios es íntegramente efectuada utilizando cables en polietileno reticulado. Estos se empezaron a usar en nuestro país en los últimos 10 años en reemplazo de los cables aislados can papel tipo NKY. El polietileno reticulado es el resultado de un proceso químico mediante el cual el polímero deja de ser termoplástico, es decir, que se deforma con la temperatura, pasando a ser termoestable, lo que significa que no se funde. Esta estabilidad térmica se obtiene a través de la formación de enlaces transversales en las cadenas del polietileno, formándose un retículo, en el cual las cadenas pierden movilidad sin perder flexibilidad, otorgando al polímero reticulado una mayor clase térmica, es decir, una mayor capacidad de corriente o do transmisión de energía. Existen diversos métodos para la reticulación del polietileno: a) Reticulado por radiación: consiste en irradiar el material aislante aplicado sobre el cable, este sistema, sólo es aplicable en cables de espesores muy delgados b) Reticulado por vía húmeda: El proceso de extrusión y el de reticulación se hacen en etapas separadas Esta tecnología requiere de cuidados extremos y se demuestra suficiente para tensiones de hasta 30,000 voltios. c) Reticulación Continua. La reticulación continua, es el sistema más completo en el cual la extrusión de el, o los, polietilenos y su reticulación se efectúa en un único proceso llevado a cabo en una línea especial, conocida como "Línea Catenaria de Vulcanización Continua" En esta línea, la reticulación se lleva a cabo en forma continua, ya que ala salida de las extrusoras existe un tubo cerrado que tiene la forma de una catenaria en cuya primera sección se aplica vapor a presión y temperatura adecuados para producir de manera continua la reticulación del polietileno que posteriormente es enfriado con agua en la segunda sección del tubo; saliendo finalmente completamente reticulado y frío. Otra característica importante de esta línea es que los tres elementos que forman el cable: semiconductor interno, aislamiento y semiconductor externo, se aplican simultáneamente en una sola operación, minimizándose el riesgo de problemas en las interfases. A pesar de que el polietileno reticulado es menos higroscópico que el PVC, en la actualidad se tiende a la utilización del XLPE por soportar mayores temperaturas y por lo tanto soportar mayor circulación de corriente. Por otro lado, la tecnología de materiales para este proceso de reticulación en catenaria esta muy desarrollada, pudiéndose usar compuestos que garantizan una mayor resistencia al treeing y, por lo tanto, una mayor confiabilidad sobre su vida útil. (*5)(*6) *5:http://www.es.prysmian.com *6:http://www.indeco.com.pe
ALGO MÁS SOBRE POLIETILENO RETICULADO El polietileno reticulado es uno de los productos más exitosos del procesamiento por radiaciones. Se emplea en la industria de los cables y aislaciones, en la de envases y materiales termocontraíbles, en la fabricación de espuma de polietileno (polietileno expandido), en materiales magnéticos y en semiconductores. En el radioprocesamiento industrial de polietileno, ya bien establecido, se emplean aceleradores fuente de En nuestro no existe aún disponibilidaddede electrones este tipo decomo instalaciones queradiación. puedan emplearse paramedio el desarrollo de estas aplicaciones y para su promoción entre la industria local. Sin embargo, dado que se dispone de fuentes de radiación gamma y que el efecto químico y físico sobre el polímero es el mismo con ambos tipos de radiación, se encaró la obtención de polietileno reticulado por radiación gamma y el estudio de su estabilidad en el tiempo mediante ensayos de envejecimiento acelerado. Para contrarrestar el efecto del oxígeno del aire que produciría una acción deletérea sobre el material durante la irradiación, se trabajó en ambiente inerte. El material de partida fue polietileno de media densidad (0,920) LDPE 2003 (Polisur, Dow Chemical Co). Este material en forma de granallas, se procesó por medio de una extrusora de doble tornillo corrotante, obteniéndose cintas de 25 mm de ancho y 0,5 mm de espesor. De estas cintas se cortaron probetas para ensayos mecánicos de tracción según ASTM D-638. El entrecruzamiento se realizó por irradiación de las probetas envasadas en ambiente de nitrógeno en envases flexibles de alta barrera. Se aplicaron dosis de 150, 200 y 300 kGy, a tasa de dosis de 0,5 kGy/h, en la Planta de Irradiación del Centro Atómico Ezeiza. Con el objetivo de estimar el grado de entrecruzamiento se determinó el porcentaje de insoluble y la capacidad de retención de solvente, basándonos en el hecho de que a medida que se produce el entrecruzamiento de las cadenas moleculares el material resulta insoluble en los solventes habituales. Al mismo tiempo, al aumentar el entrecruzamiento de las cadenas, los retículos formados resultan más cerrados y rígidos disminuyendo la capacidad de hinchamiento en solvente. Estas determinaciones se hicieron mediante extracciones exhaustivas con tolueno a ebullición, que solubiliza totalmente el polietileno no irradiado. Se realizó luego la determinación gravimétrica del material insoluble en el polietileno irradiado. El porcentaje de insoluble se expresa como: I(%) = Pf / Pi x 100 donde Pi es el peso inicial del polímero seco y Pf es el peso final del polímero seco después de la extracción. Complementariamente se midió la capacidad de retención de solvente mediante una gravimetría realizada antes de proceder a la eliminación del solvente retenido por el gel insoluble. La capacidad de retención se expresó como: S(%) = (Ps – Pi) / Pf x 100 donde Ps es el peso del gel hinchado en solvente y Pf es el peso del gel seco obtenido luego de la evaporación completa del tolueno. Los resultados dieron un crecimiento en el porcentaje de insoluble en el polietileno irradiado, que llegó al 75 % con la dosis de 300 kGy, acompañado por el correspondiente decrecimiento de la capacidad de retención de solvente. Esos resultados muestran la formación de retículos por entrecruzamiento de cadenas del polietileno, con un grado de entrecruzamiento creciente en función de la dosis.
Se midieron también las propiedades mecánicas de tracción: elongación a ruptura y resistencia a la tracción. Se siguieron los lineamientos de la norma ASTM D-638 empleando una máquina Instron para ensayos universales. Los valores de las propiedades de elongación a ruptura y de resistencia a la tracción de los productos entrecruzados se calcularon en forma relativa a la de muestras control no irradiadas, expresándose como e / eo y R / Ro respectivamente, donde eo y Ro son los valores de las muestras control. El producto entrecruzado por radiación gamma tuvo un incremento progresivo con la dosis en su resistencia a la tracción: R /Ro llegó a 1,5 con una dosis de 150 kGy y a 1,7 con 300 kGy. La elongación a ruptura no mostró modificaciones significativas con respecto al control. Dado que uno de los objetivos del entrecruzamiento de polietileno es la obtención de un material de mayor resistencia a la temperatura, se ensayó la resistencia a alta temperatura del producto irradiado. El polietileno irradiado con dosis de 200 kGy y 300 kGy resistió el calentamiento a 200 0 C durante 2 hs sin colapsar. El polietileno no irradiado fundió a 120 0 C. A fin de estimar la durabilidad del material entrecruzado obtenido se ensayó la aceleración del envejecimiento por calentamiento en estufa a 60 o C. A intervalos regulares se retiran probetas de la estufa para evaluar el deterioro mediante mediciones mecánicas, espectroscopia en el infrarrojo para detección de productos de oxidación y calorimetría de barrido diferencial para la estimación del tiempo de inducción de oxidación. Esta última técnica permite evaluar el producto en cuanto a su estabilidad frente a la oxidación, que durante el envejecimiento irá disminuyendo a medida que se agote el antioxidante presente en el material. Este ensayo continúa en realización, con cuatro semanas cumplidas de envejecimiento y mediciones realizadas en la primera y cuarta semanas. En la evaluación de las muestras envejecidas se tomó como referencia el valor correspondiente al producto obtenido con la misma dosis pero no envejecido. Se realizan ensayos mecánicos de tracción con determinación de la resistencia a la tracción ruptura y de la elongación a ruptura en relación con el producto no envejecido. Los resultados de ensayos de tracción de muestras envejecidas no mostraron alteraciones al cumplirse cuatro semanas de envejecimiento. Las determinaciones realizadas por calorimetría de barrido diferencial no evidencian aumento en la capacidad de oxidación en el mismo período, mientras que la espectroscopia en el infrarrojo permite detectar un ligero incremento en la absorción debida a productos de oxidación en el polietileno entrecruzado por irradiación con 300 kGy luego del mismo período de envejecimiento. Como conclusión, se obtuvo un producto con alto grado de entrecruzamiento molecular, por un contenido de gel de 75de%hasta y capacidad de de solvente de 90%, queevidenciado tolera sin deformarse un calentamiento 200 0 C de porretención un período 2hs, cuyas propiedades mecánicas no se deterioran sino que, conservando extensibilidad, aumenta en un 70% su resistencia a la tracción a ruptura. El resultado preliminar del ensayo de envejecimiento es también promisorio al no mostrar signos de deterioro físico ni mecánico luego de cuatro semanas a 60 º C. (*7)
*7: http://www.cab.cnea.gov.ar/AATN99/Actas/Docs/R4I34.pdf
ALGO MÁS SOBRE PVC El PVC es: :: Leve (1,4 g/cm3), lo que facilita su porte y aplicación; :: Resistente a la acción de hongos, bacterias, insectos y roedores; :: Resistente a la mayoría de los reactivos químicos; :: Buen aislante térmico, eléctrico y acústico; :: Sólido y resistente a impactos y choques; :: Impermeable a gases y líquidos; :: Resistente a la intemperie (sol, lluvia, viento y aire marino); :: Durable; su vida útil en construcciones es de más de 50 años; :: No propaga llamas: é auto-extinguible; :: Versátil y ambientalmente correcto; :: Reciclable y reciclado; :: Fabricado con bajo consumo de energía.
La mayoría de los productos de PVC (perfiles de ventanas, tubos de distribuición de agua y de saneamiento, revestimiento de cables entre otros) tienen una vida útil muy larga. Por otro lado, los embalajes de PVC tienen un corto tiempo de utilización, por que son descartables. Sin embargo, la proporción de los plásticos en los depósitos de basura en Brasil es baja (en promedio, 6% del peso total), siendo que el PVC, que es reaprovechado, representa apenas, en promedio, 0,8% de éste total. El ciclo de vida de los productos a base de PVC es: :: De 15 a 100 años en el 64% de los productos; :: Hasta De 2 a215 años 24%; años enen el el12% de los productos. El reciclado y la producción de energía por la incineración son dos maneras eficientes de reaprovecharlo. El PVC no es un material como los otros. Es el único material plástico que no es 100% srcinario del petroleo. El PVC contiene 57% de cloro (derivado del cloreto de sodio sal de cocina) y 43% de etileno, derivado del petroleo. A partir de la sal, por el proceso de electrólisis, se obtienen el cloro, la soda cáustica y el hidrógeno. La electrólisis es la reacción química resultante del paso de una corriente
eléctrica por agua salada (salmuera). Así se obtiene el cloro, que representa 57% del PVC producido. El petroleo, que representa apenas 43% del PVC fabricado, pasa por un camino un poco más largo. El primer paso es una destilación del petroleo crudo, obteniéndose así la nafta leve. Esta pasa, entonces, por el proceso de craqueamiento catalítico (quiebra de moléculas grandes en moléculas menores, con la acción de catalizadores que aceleran el proceso), generándose el etileno. Tanto el cloro como el etileno están en la fase gaseosa y reaccionan produciendo el DCE (dicloro etano). A partir del DCE, se obtiene el MVC (mono cloreto de vinila, unidad básica del polímero. El polímero es formado por la repetición de la estructura monomérica). Las moléculas de MVC son sometidas al proceso de polimeración, o sea, van ligándose y formando una molécula mucho mayor, conocida como PVC (policloreto de vinila), que es un polvo muy fino, de color blanco, y totalmente inerte. La principal materia prima del PVC es la sal del mar: (*8)
(*8): http://www.institutodopvc.org
CABLES SUBTERRÁNEOS EN LA ACTUALIDAD
Los cables subterráneos en la actualidad se fabrican con aislación de PVC o de polietileno reticulado, pero como ya se mencionó anteriormente, existe una tendencia al uso de XLPE por la mayor resistencia a las altas temperaturas. XLPE y Generalmente vaina de PVC. los cables subterráneos son de cobre o aluminio con aislación de Estos cables encuentran aplicación en todo tipo de instalaciones fijas, ya sea a la intemperie, sobre bandejas, alojadas en ductos eléctricos o bien directamente enterrados tanto en ambientes húmedos como secos. Y no solo en el campo industrial, sino también en la distribución de energía en líneas subterráneas, cables troncales en estaciones de potencia, cables bajo agua, usos en minería y mucho más. La temperatura normal de operación ronda los 90 °C, mientras que las temperaturas de sobrecarga y cortocircuito son de 130 y 250 °C respectivamente. Poseen una excelente resistencia a los agentes químicos pudiendo prestar servicio sin dificultad en plantas petroquímicas y similares. No son atacados por la humedad, agua dulce o salada, ácidos, álcalis, sales, aceites o grasas. En muchos casos están formados por alambres cableados de cobre electrolítico recocido o aluminio de uso eléctrico, conformando cuerdas compactas del tipo 2, según IRAM 2022 (Ed. 1988). La identificación de las fases se efectúa mediante la pigmentación del compuesto de aislación, siendo en los tripolares castaño, negro y rojo por norma. Sobre las fases aisladas y cableadas se aplica revestimiento extruido no higroscópico de PVC, el cual le confiere al conjunto una forma sustancialmente circular. En aquellos casos que se requiera una mayor protección mecánica, se dispone sobre la aislación una armadura metálica formada por dos flejes de acero galvanizado aplicados helicoidalmente con una adecuada superposición.
Cuando se requiera una barrera para limitar los efectos de las perturbaciones electromagnéticas sobre los circuitos de control y señalización en BT en centrales y estaciones transformadoras, se recurre a blindajes o pantallas, que pueden ser: malla de alambres de Cu, cintas de Cu dispuestas helicoidalmente, alambres de Cu dispuestos helicoidalmente o cinta de Cu longitudinal corrugada. Llevan una vaina exterior de PVC tipo ST2 según IRAM 2307 (Ed. 1990) especialmente resistente a la humedad y agentes atmosféricos, con excelentes características mecánicas. Las vainas de estos cables también pueden ser de otros compuestos de vaina tales como polietileno termoplástico. Tanto en los cables de medio voltaje (MV) como en los de alto voltaje (HV), puede usarse un forro laminado cubierto de cobre grueso (en un lado) de 0.15 mm (6 mil) como protector del núcleo del cable contra humedad y productos químicos. Además de que están logrando mayor aceptación, los forros de cobre ofrecen una alternativa viable a otros forros metálicos. Entre los beneficios de los forros de lámina de cobre con recubrimiento, en comparación con los forros cubiertos de aluminio, figuran los siguientes: Mayor resistencia a la corrosión Sencillez en la colocación Menor grosor del blindaje Mayor capacidad contra la corriente de pérdida Funciones combinadas como blindaje y protector de humedad En el proceso de fabricación de cables, la cinta de cobre recubierto se pliega longitudinalmente sobre el núcleo del cable, se sella con un adhesivo “hot melt” en el traslape y se une con el aislante de cable extruido. La combinación del aislante unido y la junta sellada actúa como un tubo de plástico revestido de metal con excelente protección contra el ingreso de productos químicos y humedad. Los datos demuestran que los diseños de cables de medio y alto voltajes con forros de cobre laminado ofrecen óptima confiabilidad y facilidad de instalación. También poseen mejoras adicionales en las propiedades mecánicas: Flexión más estrecha alrededor de mandriles más pequeños. Mayor presión del muro lateral durante la instalación. Mayor resistencia a choques, impactos, perforaciones, deformaciones y ciclo térmico. Mejor retracción del revestimiento. (*9, *10) (*9):www.imsa.com.ar (*10):www.electroindustria.com
LOS PROBLEMAS DEL PVC Muchos de los cables eléctricos que actualmente se instalan, contienen en su aislamiento y envoltura plásticos como: PVC (cloruro de polivinilo) PE (polietileno) PP (polipropileno) Todos estos plásticos son combustibles y propagan fácilmente un fuego producido por sobrecarga eléctrica, cortocircuito o fuego exterior a ellos, especialmente cuando han sido colocados en mazos. Los cables y las tuberías de PVC, además de propagar el fuego fácilmente, producen un denso humo negro que: Dificulta enormemente la labor de los bomberos. Producen en su descomposición gases tóxicos, cancerígenos o ultravenenosos como por ejemplo el policlorato bibenzo-bióxido. grandes Este cantidades de gas CLH , que se combina el metálicas agua para producirContienen ácido clorhídrico. ácido clorhídrico corroe fuertemente las con partes estructurales, interfiere los contactos eléctricos y daña a los equipos electrónicos. Incluso afecta a la armadura del hormigón armado. Estos daños indirectos son la mayoría de las veces más importantes que los propios fuegos. Un incendio puede derivar en un desastre con pérdida de vidas humanas y cuantiosos daños materiales cuando en él intervienen cables eléctricos y/o tuberías de PVC. Las aplicaciones médicas del PVC no suponen más del 3% del total, pero son un punto primordial para las relaciones públicas de la industria pública de la industria que alega que el PVC es esencial en los hospitales. Se usa en probetas, catéteres, como material para entubar, en las máquinas de hemodiálisis, entre otras aplicaciones. Este PVC flexible contiene el plastificante DEHF que puede migrar desde las bolsas y los tubos de los hospitales a los fluidos que contienen. • •
Se ha detectado DEHF en la sangre almacenada en los bancos de sangre. Los pacientes de diálisis sufren irritaciones de piel e hígado, problemas de circulación y corazón, todo relacionado con las dosis de DEHF que reciben en cada tratamiento en el que se usan tubos de PVC. Los síntomas mejoran al dejar de contacto con tubos de este material. Se han medido concentraciones de 150 miligramos de DEHF por litro de sangre en pacientes sometidos a sesiones de hemodiálisis tras 5 horas de tratamiento.
Al entrar en contacto conel fuego, el PVC también genera emisiones de los siguientes productos: • •
Metales pesados Compuestos organoclorados ( dioxinas y otros )
Todo lo anterior puede suceder incluso antes de que el PVC arda. De hecho, su contenido en cloro puede impedir la ignición, la aparición de la llama. No importa el método elegido para la gestión de los residuos de PVC. Este material sigue produciendo efectos negativos sobre el medioambiente al final de su vida útil. El PVC pertenece a la familia de los termoplásticos, al igual que el polietileno, polipropileno y el poliestireno, por lo que en teoría puede refundirse y moldearse de nuevo. Sin embargo, en la práctica, el reciclaje del PVC: •
•
Es un bajociclaje. Debido a la gran variedad de aditivos usados (en su mayoría tóxicos) en las distintas aplicaciones de este material, el PVC no es una sustancia única. La mezcla de objetos de PVC distintos a la entrada del proceso de reciclaje provoca que los productos reciclados sean de baja calidad (bancos para parques, postes para vallas, macetas...) para los que hay escasa demanda. Todas las aplicaciones del PVC reciclado están perfectamente cubiertas por materiales más adecuados como el cemento y la madera. Esto no hace otra cosa que retrasar el vertido inevitable en vertederos o incineradoras. Es caro. La propia industria del PVC ha reconocido que los actuales esfuerzos de reciclaje no son rentables, ya que las resinas y productos reciclados son a menudo más caros que el plástico virgen, y que la gran campaña lanzada para demostrar la reciclabilidad de los productos fabricados con PVC ha sido realizada más por su valor de relaciones públicas que por otros motivos.
Como consecuencia de ello, el reciclaje de plásticos después de su consumo es insignificante y aumenta el tráfico de residuos plásticos. En EE.UU, éste alcanzó un volumen de 200 millones de libras en 1991. Se ha descubierto que el 40% del plástico se vierte, aunque los traficantes de residuos afirman que será reciclado. (*11, *12)
(*11) www.quanta.net.py (*12)http://www.pefipresa.com
OTRA APLICACIÓN DEL POLIETILENO RETICULADO Cañerías
La industria química busca continuamente nuevos materiales para la construcción de tuberías que reemplacen a las convencionales tuberías metálicas, dado que éstas presentan múltiples problemas como corrosión, abrasión, fugas en las conexiones, necesidad de un constante mantenimiento y pintura, etc. Naturalmente, los materiales termoplásticos se manifiestan como la solución ideal, pero no es tan fácil. El polietileno, por ejemplo, es flexible y relativamente resistente a la corrosión, pero presenta dos desventajas: Es sensible a arañazos y se agrieta fácilmente. Temperatura de servicio limitada a 40 ºC. Con el fin de solventar estos problemas, fue inventado un proceso de reticulado.
Éstas tuberías están fabricadas a partir de una resina especial HMW-HDPE, por un proceso de reticulado químico (proceso Engel), el cual se realiza en condiciones de alta temperatura y presión. La reticulación se lleva a cabo durante el proceso de fabricación, resultando en la formación de un enlace químico irreversible (covalente) entre moléculas de PE. El polietileno reticulado es un material termoelástico con estructura molecular en tres dimensiones, y con excepcional estabilidad dimensional a altas temperaturas. La reticulación del polietileno vigoriza la resistencia de la tubería a sustancias corrosivas o agresivas, fisuras de “stress”, debidas a ambientes corrosivos. La combinación de resistencia a la alta temperatura, a agentes químicos y a la abrasión ha abierto nuevas posibilidades en distintas aplicaciones para este tipo de tubería. Ofrece, por lo tanto, una solución para una amplia gama de aplicaciones donde el uso de las tuberías convencionales no sería satisfactorio. Debido a estas características, se pueden instalar embutidas en el terreno natural, sin cama de arena, reduciendo la necesidad de movimiento de materiales,Sey economizando costos innecesarios. enumeran a continuación algunas de las aplicaciones nuevas para el uso industrial: Instalaciones off-shore. Transporte de múltiples fluidos. Refinerías combustibles.
y
transporte
de
Calefacción colectiva. Transporte de gases. Manejo de aguas residuales y desagües. Industria automotriz. Aire comprimido
El empleo está especialmente indicado, en comparación con las tuberías metálicas tradicionales y frente a otros materiales termoplásticos. La resistencia al “stress” de agrietamiento (stress cracking), y en particular la carencia de sensibilidad a malos tratos, las hace recomendables para las instalaciones más exigentes. La resistencia al agrietamiento de los tubos tanto de iniciación como de propagación lenta permite que se opere a los extremos de baja temperatura donde otros termoplásticos fracasan. También la temperatura elevada no es obstáculo y es posible utilizarlo para instalaciones en climas cálidos donde una vez más otros materiales termoplásticos estarían sujetos a restricciones operativas. (*13)
(*13): http://www.quimicauniversal.com
OTRAS APLICACIÓNES DEL PVC PRODUCTOS DE LARGA DURACION
En el sector de la construcción, el PVC se usa principalmente para fabricar tuberías de desague (37% de la producción), canalones, suelos, aislamientos y marcos de ventanas. En estas aplicaciones se utiliza cadmio como estabilizador frente a la radiación ultravioleta. Los marcos ventana adepesar PVCdeestá evidente a materiales tradicionales como lademadera, losdesplazando problemas de manera eliminación de éste. Así, en Alemania, se produjeron en 1990, 1,5 millones de toneladas de PVC estabilizado con cadmio destinado a la fabricación de marcos de ventana, y en el Reino Unido copan el 90% del mercado. En España, es uno de los usos que más está creciendo. En 1993 se destinaron 35.000 toneladas de PVC para esta aplicación. Los suelos y papeles pintados de vinilo se usan en cocinas, baños y edificios públicos. Presentan altas cantidades de plastificantes, lo que, unido a su gran superficie desde la que estos pueden escapar más fácilmente, contribuye a causar el llamado "Síndrome de oficina enferma". En Suecia se han documentado 24 casos y en 8 de ellos había suelo de vinilo. Debido al intervalo de 15 a 20 años entre fabricación y eliminación, la sociedad no ha tomado conciencia todavía del problema que suponen los productos de PVC de larga duración. PRODUCTOS DE CORTA DURACION
El PVC es el material más utilizado para envases y embalajes, suponiendo el 15-20% de todos los plásticos usados en este sector. También es éste uno de los sectores en los que existen un mayor número de alternativas fácilmente accesibles. Uno de sus usos más significativos está en la fabricación de botellas para agua minerales de mesa y refrescos sin gas. La industria del PVC aprovecha este uso para lavar su contaminante imagen, a costa de poner en peligro evidente la salud de los consumidores de este tipo de productos: En 1991, un instituto italiano aporta pruebas de la migración de cloruro de vinilo (VCM) de botellas de PVC al agua que contenían. El paso del VCM al agua se intensificaba cuando se producían cambios de temperatura bruscos. Actualmente se ha fijado en 0.01 miligramos por kilogramo o litro de PVC la cantidad máxima de cloruro de vinilo permítida. Pero esta legislación se olvida del resto de aditivos tóxicos presentes en el PVC. Existen estudios que indican que el paso del plastificante DEHF de los envases de PVC a los alimentos es considerable al cabo de unas semanas. Por ejemplo, en el caso de la leche en polvo, se han medido cantidades de DEHF de 45 miligramos por litro al cabo de 24 horas de almacenamiento. Los microbios en el agua embotellada pueden reproducirse más rápidamente en superficies de PVC que en el cristal. En Alemania está prohibido el uso de plástico de PVC para envolver alimentos, debido a que se ha comprobado que el plastificante diosctilapidato (DOA) migra directamente hacia ellos. Solamente está permitido en el caso de la carne fresca.(*14)
(*14): http://www.quanta.net.py
BIBLIOGRAFÍA Enciclopedia Ceac de Electricidad (*1) Catálogo de cables Cimet. (*2) Catalogo de cables I.M.S.A(*3) Reglamentación para la ejecución de instalaciones eléctricas. Asociación electrotécnica Argentina (*4)
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Cables y conductores para transporte de energía. Editorial Dossat S.A de Siemens.(*5) Internet: •
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http://www.cearca.com http://www.dow.com/wireenduser/sp/editions/august2005/perform.htm http://www.es.prysmian.com http://www.dow.com/wireenduser/sp/editions/august2005/increase.htm http://www.electroindustria.com/nuevo/productos_electricos.asp http://www.pefipresa.com/pasiva.htm http://www.quimicauniversal.com/Hemeroteca/ArticuloCompleto.asp?ID=10825 http://www.institutodopvc.org/espanol/aplica.htm http://www.quanta.net.py/userweb/apocalipsis/Vida_Diaria/PVC/body_pvc.html http://www.cab.cnea.gov.ar/AATN99/Actas/Docs/R4I34.pdf www.quanta.net.py
En la introducción teórica sobre cables se utilizó la bibliografía (*1,*2,*3,*4, y *5)
