Teoría de los componentes para cables de media tensión subterráneos

Por Eduardo Sánchez de Aparicio

En los cables subterráneos de media tensión pueden presentarse diversos fenómenos, como el campo eléctrico, el Efecto Corona, las descargas parciales y la concentración de esfuerzos eléctricos, que actúan en detrimento de su operación y pueden modificar el comportamiento del campo eléctrico y causar inconvenientes de seguridad. Para evitarlos, la tecnología asociada ha evolucionado, con el desarrollo de materiales y elementos de protección, cuya función puede entenderse en relación con las características de cada uno de los fenómenos.

El campo eléctrico es un fenómeno físico que se crea en un espacio por la presencia de una carga de energía. Cuando éste alcanza cierta intensidad en presencia del aire, genera un efecto llamado Corona, que provoca la ionización del aire alrededor del conductor eléctrico, debido al campo de electricidad producido por altos niveles de tensión (generalmente superiores a 2 mil V).

Cuando no existe tierra cercana o cuando la intensidad del campo se incrementa (aumento en el nivel de tensión del conductor o disminución en la rigidez dieléctrica del aire; por ejemplo en días con alta humedad o lluviosos y situaciones de gran altitud, donde el aire se vuelve menos denso), este efecto se distribuye uniformemente alrededor del conductor (creando una “corona”).

La ionización del aire es tan grande y en tal concentración, que se crean en él caminos conductivos para el paso de los electrones, causando rupturas dieléctricas que dan pie a la creación de pequeñas “corrientes” de fuga, también conocidas como descargas parciales. Las descargas parciales producen minúsculos arcos de energía que podrían generar una ruptura dieléctrica total o un camino conductivo continuo entre la fuente de tensión y tierra, produciendo un arco eléctrico franco entre fases o a tierra.

En sistemas de media tensión aéreos, donde, en general, la red utiliza como medio aislante al aire, el control del campo eléctrico se logra al respetar las distancias mínimas entre fases y tierra, o con la utilización de aisladores con distancias de fuga adecuados para evitar la creación de arcos eléctricos. Si se sigue esta regla correctamente y se respetan las distancias mínimas de diseño, se produce el Efecto Corona, pero no genera estrés eléctrico suficiente para ocasionar descargas parciales o arcos eléctricos que provoquen una falla.

Los conductores normalmente utilizados son desnudos y, en algunas ocasiones, semiaislados; sin embargo, para redes subterráneas de media tensión el aire no es lo suficientemente dieléctrico para evitar un arco eléctrico. El medio aislante por excelencia en estos sistemas es el aislamiento sólido, que puede ser polietileno de cadena cruzada (XLP, por sus siglas en inglés) o etileno propileno (EPR). No obstante, la combinación del campo eléctrico con un elemento aislante y con un sistema de tierra cercano ocasiona que las líneas de flujo del campo eléctrico se escapen, se orienten y se dirijan hacia tierra o a otra fase, a pesar del aislamiento sólido.

En las redes subterráneas, el contacto de los cables de media tensión con superficies, charolas, ductos, entre otros elementos, hace que el campo eléctrico pierda su distribución uniforme y las líneas de flujo se orienten hacia el punto de contacto o tierra. A este fenómeno se le conoce como “Concentración de Esfuerzos Eléctricos” y genera desgaste del elemento aislante, ocasionando, con el paso del tiempo, sobrecalentamientos y descargas parciales, hasta lograr una falla franca o arco eléctrico a tierra, que pueden provocar un cortocircuito.

En las redes subterráneas es necesario utilizar una serie de componentes adicionales al aislamiento, como una pantalla semiconductora pegada al conductor eléctrico y una pantalla electrostática, formada por una pantalla semiconductora adherida al exterior del aislamiento e hilos aterrizados, o cinta metálica, comúnmente de cobre. Estos elementos adicionales logran homogeneizar las líneas de flujo, evitar una concentración de esfuerzos y atrapar el campo eléctrico, de suerte que todo el campo generado se drene a tierra.

En México y otros países, como protección mecánica y sin ninguna función eléctrica, se envuelven estos elementos con una cubierta plástica de PVC u otro material polimérico con buena resistencia mecánica, con el fin de proteger el cable contra golpes, ralladuras durante su instalación y factores ambientales como humedad y rayos UV. Los cables de media tensión subterráneos cuentan con una pantalla semiconductiva interna pegada al conductor que equipara y homogeniza el potencial y evita la ionización entre los hilos del conductor, con las consecuentes descargas parciales internas que destruyan el cable.

Además, están equipados con un elemento dieléctrico que aísla el voltaje del conductor y una pantalla electrostática aterrizada que drena a tierra el campo eléctrico, mientras que la cubierta de PVC permite que el cable sea colocado en charolas, ductos, directamente enterrado o pueda ser tocado por un ser humano sin riesgo de recibir un arco o descarga eléctrica. Éste es un sistema típico apantallado con al menos cien por ciento de nivel de aislamiento; en él, la media tensión subterránea controla al campo eléctrico, lo homogeniza, lo “atrapa” y se drena a tierra.

A su vez, los accesorios son de gran utilidad para la conexión, unión y derivación de las redes de media tensión subterráneas. En sistemas aéreos es suficiente con instalar un conectador al conductor, ya sea a través de aprietes de tornillos (mecánicos) o del uso de herramientas que compriman el conectador (conectadores a compresión) y, a su vez, éste al herraje u otro cable, siempre con la precaución de estar respetando las distancias y utilizando los aisladores adecuados para realizar conexiones eléctricas. En sistemas subterráneos de media tensión, a diferencia del aéreo, no es posible querer realizar esta práctica.

El fenómeno del campo eléctrico, combinado con las diferentes pantallas del cable, requiere que, cada vez que se desee instalar una terminación o un empalme en el cable, se realice una serie de cortes a cada una de las pantallas, con la finalidad de alejar la tierra de la punta del conductor para no generar un arco eléctrico. En consecuencia, en la zona donde se retira la pantalla electrostática del cable, se escapa el campo eléctrico y éste se concentra en el punto más cercano a tierra, justamente en el escalón formado entre la pantalla semiconductora exterior y el aislamiento del cable.

Este fenómeno es la concentración de esfuerzos eléctricos, que puede equipararse al par de torsión y la suma de fuerzas provocadas en el punto en donde se empotra la viga en el muro en temas de mecánica. Este par de torsión y las fuerzas resultantes es la suma de las fuerzas provocadas por el peso de la viga y los pesos soportados, multiplicados por su brazo de palanca (distancia entre el peso y el muro).

Si se compara el esfuerzo eléctrico con el esfuerzo mecánico, este último utilizaría opciones para controlar esfuerzos, como empotrar la viga a una cierta distancia (para contar con mayor área de soporte) o utilizar tensores para contrarrestar los pesos. En el sistema eléctrico, el control de esfuerzos se hace a través de dos importantes alternativas. Una de ellas es el control de esfuerzos geométrico y el otro es el control de esfuerzos resistivo-capacitivo o de alta constante dieléctrica (alta K).

Eduardo Sánchez de Aparicio I.

Socio fundador y director de Relaciones Institucionales en Sigma Solutions Commerce Group S.A. de C.V. También es director de Sigma Solutions Consulting Group y coordinador del Subcomité de Accesorios y Herrajes para Cable, IEEE Sección México; miembro del Centro de Competitividad e Innovación de la Caname.