Gestión del Estrés Eléctrico en Empalmes y Terminales de Cable: Mejores Prácticas para Sistemas Eléctricos Fiables

Cómo Controlar el Estrés Eléctrico en Empalmes y Terminales de Cable

Introducción

Los cables de potencia son de gran importancia en los sistemas de transmisión y distribución de energía.

Las terminales y empalmes son los accesorios básicos de los cables de potencia y se requieren para hacer conexiones entre líneas o a un aparato eléctrico.

Diversos aspectos se consideran al diseñar terminales y empalmes de cable porque deben poseer la misma integridad que sus cables asociados al hacer la conexión tanto en aplicaciones interiores como exteriores.

El aspecto más crítico de la empalme y terminación de cables de alta tensión es el control del esfuerzo dieléctrico originado en el punto de terminación de la pantalla – control del estrés eléctrico.

Estrés Eléctrico y Control de Estrés

Las terminales y empalmes de cables de media y alta tensión deben gestionar los campos eléctricos en los extremos. Cuando se quita la pantalla de aislamiento de un cable, gradientes de potencial elevados se concentran en el punto de corte, como se muestra en la Figura 1.

En esta figura se ve que al cortar la pantalla de tierra del cable (0%), las líneas equipotenciales (del 20% al 80%) se concentran en el borde del electrodo de tierra, causando alto estrés eléctrico.

La mejora del campo eléctrico en estos puntos puede producir descargas parciales que podrían llevar a arco superficial a lo largo de la superficie del aislamiento o ruptura dieléctrica causando fallo del cable.

En instalación de cables, los cables blindados requieren control de estrés eléctrico al terminarse.

Las terminales y empalmes de cable están diseñados para eliminar la concentración de estrés en la terminación de la pantalla para evitar la ruptura del cable – el campo eléctrico debe ser controlado en una terminal y empalme de cable.

La distribución del estrés en el empalme del conductor varia considerablemente debido a cambios en el perfil introducidos por el uso de una manga (ferrule).

Los bordes afilados y protuberancias en el empalme, si se dejan sin aliviar, también resultan en cambio brusco del gradiente de estrés.

Es por tanto esencial que el conductor tenga un perfil suave para que no haya concentración indebida de esfuerzos.

Sin embargo, el aspecto más importante del control de estrés se aplica a la ubicación donde se termina la pantalla de aislamiento.

Cabe señalar que no solo el esfuerzo dieléctrico aumenta en la región de terminación, sino que también se establece un gradiente de potencial a lo largo de la interfaz entre el dieléctrico y el medio circundante.

El esfuerzo en el dieléctrico en la terminación de la pantalla estará muy por encima del esfuerzo de diseño y puede llevar a fallo prematuro.

Además, si el medio circundante es aire, o hay un vacío entre el dieléctrico y el medio de relleno, entonces el esfuerzo en la zona puede causar que el aire permita descarga incluso a tensión de trabajo.

El papel es algo resistente a estas descargas, pero para aislamiento polimérico, como XLPE (polietileno reticulado), tales descargas erosionarán rápidamente el dieléctrico y eventualmente resultarán en fallo.

Sin aplicación de control de estrés, ocurrirían descargas, afectando adversamente la vida útil del empalme y terminación.

La Figura 2 muestra la distribución del campo eléctrico sin y con control de estrés.

Causas

Debilidades principales en el área de terminación y empalmes de cables de media y alta tensión que requieren control de estrés son:

• Terminales de compresión que permiten humedad en los núcleos del conductor
• Fallo al eliminar bolsas de aire
• Cruce de núcleos resultando en descarga parcial
• Mala preparación del cable
• Penetración de humedad
• Despeje fase-fase y fase-tierra inadecuado
• Rastreo (tracking)
• Malas instrucciones de empalme

Métodos de Control de Estrés

No existe una terminación o empalme universal. Hay una variedad de tipos diferentes, cada uno con ventajas y desventajas.

La optimización de terminales de cable se logra investigando diversas construcciones.

El método de terminación adecuado debe proporcionar buena integridad eléctrica y mecánica.

Para diseñar una terminación adecuada, debe hacerse un análisis de distribución del campo eléctrico en las regiones críticas.

Método del Cono de Estrés

El método común empleado para control de estrés es el uso de un cono de estrés que se muestra en la Figura 3.

El cono de estrés es un medio de controlar la capacitancia en el área de terminación de la pantalla, reduciendo el esfuerzo dieléctrico a lo largo de un gradiente hasta límites tolerables en el punto de terminación.

El cono de estrés se extiende más allá de la terminación de la pantalla, de modo que el gradiente de potencial en la superficie del dieléctrico se reduce a un nivel donde no ocurrirán descargas.

En empalmes de cables de papel de media y alta tensión, el cono de estrés se suele construir a un contorno predeterminado mediante aplicación manual de cintas de papel aislante impregnado, mientras que en terminaciones el cono de estrés es aplicado a mano o preformado. Con el desarrollo de cables poliméricos y elastoméricos, pre-moldeados conos de estrés también se han introducido.

Antes de aplicar el cono de estrés, es necesario reducir el estrés eléctrico en el empalme del conductor, debido a las razones explicadas anteriormente.

El concepto es proporcionar un perfil suave para que el estrés se uniformice. Esto se obtiene mediante el 'escalonado' de papeles de cable, logrado retirando el aislamiento de papel en una serie de escalones, con contrahuellas y huellas desde la superficie interior del conductor hasta la superficie exterior del aislamiento.

Con los dos extremos del cable así tratados y unidos, se aplican cintas de papel impregnado aplicadas a mano sobre el conjunto para formar el dieléctrico del empalme.

Método de Tubo Termorretráctil de Control de Estrés

Otro método común es el tubo termorretráctil de control de estrés usado para controlar altos esfuerzos eléctricos en el punto de terminación de la pantalla de aislamiento en empalmes y terminales de cables de media tensión plásticos y de papel hasta 36 kV.

También controlan los altos esfuerzos sobre los conectores en empalmes.

El tubo de control de estrés está hecho de material polimérico de alta permitividad y alta resistividad, termoestabilizado y reticulado.

Otros Métodos para Controlar el Estrés

Otros métodos son:

• Cintas o recubrimientos de alta resistencia, y materiales con capas de resistencia no lineal; el material de resistividad superficial constante pasa una pequeña corriente estableciendo un gradiente de tensión lineal a lo largo de su longitud. Una mejor distribución de estrés se logra usando materiales de resistividad no lineal, que también permiten que la corriente en la capa aumente, la resistencia del material caiga, y se logre un gradiente de tensión lineal suave a lo largo de la longitud aplicada.
• Materiales con permitividad relativa significativamente mayor que el dieléctrico del cable. El método se basa en el principio de que cuando materiales de permitividad disímil se someten a un gradiente de potencial a través de su espesor combinado, el mayor estrés lo experimenta el material con menor permitividad. Se ve en el diagrama esquemático que las líneas equipotenciales emergen gradualmente del dieléctrico, produciendo un gradiente suave en la superficie del dieléctrico.

Sobre el Autor: Manuel Bolotinha

- Licenciatura en Ingeniería Eléctrica – Energía y Sistemas de Potencia (1974 – Instituto Superior Técnico/Universidad de Lisboa)
- Máster en Ingeniería Eléctrica y de Computadores (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Universidad Nova de Lisboa)
- Consultor Senior en Subestaciones y Sistemas de Potencia; Instructor Profesional

Trabajo en Espacios Confinados: Peligros, Protocolos de Seguridad y Mejores Prácticas Guía Experta para el Diseño de Alumbrado Público: Normas ISO e IEC