Diseño de terminación de cable para pruebas de voltaje de ruptura de CA

En ingeniería se debe establecer una solución o proyecto ideal debido a limitaciones económicas, técnicas, prácticas y ambientales. En el diseño y construcción de líneas de transmisión o distribución de energía, se pueden utilizar dos tipos de cable, a saber, cables aéreos o subterráneos [1]. Los cables subterráneos de alta tensión han sido ampliamente utilizados como conductores eléctricos en diferentes aplicaciones tales como instalaciones industriales de media tensión, conexiones de transmisión subterráneas y submarinas, plantas de energías renovables [1], alimentación de edificios residenciales y centros urbanos, así como en instalaciones donde los aspectos ambientales y visuales requieren el uso de cables subterráneos. Sin embargo, la instalación de cables subterráneos representa un gasto económico significativo en comparación con la aplicación de cables aéreos [1,2].

 Además, el complejo proceso de fabricación de cables subterráneos y la diversidad de productos y fabricantes pueden dar lugar a la comercialización de cables de bajo rendimiento. El uso de cables de buen desempeño es fundamental para aplicaciones subterráneas, ya que los cables están sujetos a varios esfuerzos durante su vida útil, tales como eléctricos (debido a voltajes de operación, sobretensiones y otros), térmicos (ya que los cables están sujetos a temperaturas anormales). elevaciones, expansión y contracción térmica), mecánicas (como daños externos, impacto lateral y anomalías de presión) y ambientales (debido a la humedad, oxidación, radiación solar y otros fenómenos)

Por lo tanto, para asegurar el funcionamiento bajo los esfuerzos antes mencionados y mejorar la confiabilidad y continuidad del suministro eléctrico, los cables deben someterse a pruebas eléctricas de rutina y de tipo para garantizar, esencialmente, el desempeño dieléctrico del material aislante y reducir, en consecuencia, las pérdidas financieras. para empresas de energía e industrias. Uno de los materiales más utilizados es el polietileno reticulado (XLPE)

Aunque la mayoría de las fallas en un cable de alimentación ocurren en sus empalmes y terminaciones, la evaluación del material de aislamiento del cable es extremadamente necesaria. Una de las pruebas requeridas para esta evaluación es la determinación del voltaje de ruptura del cable. Las normas internacionales IEC 60229 e IEC 60520-2 [6,7] establecen los requisitos de prueba para cables de alta tensión. En Brasil, las normas NBR 10299 y NBR 16132 [8,9] proporcionan las especificaciones con respecto a las pruebas para la distribución estadística de la fuerza de campo eléctrico de perforación en cables para sistemas con tensión superior a 15 kV. La NBR 10299 tiene como objetivo establecer la tasa mínima de falla en función de la longitud del cable instalado. Un valor generalmente aceptado es 6,7 × 10−4 falla/(año × km)

Las pruebas prescritas deben realizarse utilizando una muestra de al menos 3 m de longitud efectiva, es decir, sin considerar las terminaciones en ambos lados. El blindaje externo está conectado a tierra y se aplica un voltaje de CA ascendente sobre el cable hasta que se alcanza la ruptura interna. La configuración experimental debe garantizar la ocurrencia de averías en el cable de longitud efectiva. Considerando que las pruebas pueden someter al cable a sobretensiones con valores de 5 a 10 veces superiores a la tensión normal de operación, el principal problema que se enfrenta durante las pruebas es la distorsión del campo eléctrico en los extremos del cable, lo que provoca ruptura externa e impide la evaluación de el material aislante interior. Para realizar la instalación en campo o pruebas de tensión de ruptura en cables aislados, es necesario retirar una parte del aislamiento del cable. Mientras que el campo eléctrico dentro de la longitud efectiva tiene una distribución predecible, con dirección radial y comportamiento logarítmico [1,2,10], existe una gran intensificación de campo en los extremos del cable. El campo eléctrico en la vecindad del extremo del blindaje se ilustra en la Figura 1. Por lo tanto, se debe garantizar una distribución tan predecible para permitir pruebas exitosas.

El extremo del cable consta de un conductor, capas de semiconductores, una capa aislante y cinta conductora para el blindaje, además de aire. La diversidad de materiales con diferentes características eléctricas, rigidez dieléctrica y permitividad relativa proporciona campos eléctricos altamente no uniformes con componentes de campo tanto axiales como tangenciales. El campo eléctrico tangencial es una de las principales causas de fallas en terminales [12,13]. La mejora del campo en el extremo del cable produce descargas superficiales y externas en el aire, que pueden evitarse mediante el uso de terminaciones diseñadas adecuadamente [1,9,10,14]. En este sentido, arreglos con diferentes características fueron estudiados por [12–19].

La mayoría de los estudios que se han ocupado de la distribución del campo eléctrico en terminaciones de cables de alta tensión aplican software comercial basado en el método de los elementos finitos (FEM) con el fin de analizar y/o diseñar terminaciones, empalmes o conos de alivio de tensión. En [12,15,16], se utilizaron simulaciones para ayudar en el diseño de conos de tensión basados ​​en superconductores de alta temperatura (HTS). Los autores de [16] propusieron el uso de una capa conductora de epoxi/ZnO para mejorar la distribución del campo eléctrico. Otros estudios compararon diferentes materiales y opciones de clasificación de campo para cables. En [13], por ejemplo, se compararon diferentes tipos de opciones de clasificación de campo para cables de plomo con aislamiento de papel (PILC) de 36 kV y cables de polietileno reticulado (XLPE). En [17], se analizó el impacto de los defectos en los empalmes de cables, y [18] estudiaron el campo eléctrico en una terminación de cable sometida a esfuerzos transitorios. Durante la etapa de proyecto de una terminación, otro posible objetivo es estimar áreas más susceptibles a defectos y así mejorar los prototipos. Al respecto, [19] calcularon el campo eléctrico en un manguito para un cable de 110 kV utilizando FEM, con el fin de estimar las zonas más susceptibles a la ruptura dieléctrica y así mejorar un prototipo de manguito.

Algunos de los estudios mencionados presentaron proyectos de terminación basados ​​en el concepto de cono de tensión y analizaron la distribución del campo eléctrico o la influencia de diferentes materiales. Sin embargo, faltan estudios relacionados con el desempeño de la terminación durante las pruebas de sobrevoltaje o las pruebas de voltaje de ruptura. Además, algunos prototipos propuestos requieren materiales costosos. Por lo tanto, en este artículo se presenta una metodología para la concepción, dibujo y simulación electrostática de una terminación factible. La terminación debe ser capaz de garantizar la realización de las pruebas de sobretensión en los cables. El procedimiento propuesto también se puede utilizar para el diseño de terminaciones de cable optimizadas. Tales terminaciones suelen ser las responsables, por ejemplo, del enlace entre diferentes líneas de transmisión, funcionando como conectores. Para los análisis de los esfuerzos eléctricos en la terminación se realizaron simulaciones computacionales utilizando un software comercial basado en el método de elementos finitos y un modelo de cable monofásico de 35 kV, el cual se utilizó como muestra. En el proyecto se consideraron materiales convencionales, lo que representa una potencial reducción de costos.