manual hi pot

7/28/2019 Manual Hi Pot

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FACULTAD DE INGENIERIAY ELECTRICA

TESIS


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U N I V E R S I D A D A U T O N O M A D E N U E V O L E O NELECTRICA

J DE ESI DE POSTGRDQ

DE MEDIA3 E F O T

m a J ES U S R O B E R TO M A R T IN E Z RODRIGUEZ-

TESISDE MAESTRO EN CIENCIASELECTRICA CON

EN CONTROL

SAM NICOLAS DE LOS GARZA, N. UDICIEMBRE: DE 2002


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UNIVERSIDAD A UTONOMA DE NUEVO L EONFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

DIVISION DE ESTUDIOS DE POST-GRADO

METODO PARA EVALUAR LA CAL IDAD DEL A ISLA MIENTO ENTERMINALES DE MEDIA TENSION A PA RTIR DE PRUEBA S DEHI-POT

PORING. JESUS ROBERTO MARTINEZ RODRIGUEZ

TESISEN OPCION AL GRADO DE MA ESTRO EN CIENCIAS DE LAINGENIERIA ELECTRICA CON ESPECIALIDAD EN CONTROL

SAN NICOLAS DE LOS GARZA, N.L.DICIEMB RE DE 2002


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UNIVERSIDAD A UTONOMA DE NUEVO L EONFACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

DIVISION DE ESTUDIOS DE POST-GRADO

METODO PARA EVALUAR LA CALIDAD DEL AISLAM IENTO ENTERMINAL ES DE MEDIA TENSION A PA RTIR DE PRUEBA S DEHI-POT

PORING. JESUS ROBERTO MARTINEZ RODRIGUEZ

TESISEN OPCION AL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS DE LAINGENIERIA ELECTRICA CON ESPECIALIDAD EN CONTROL

SAN NICOLAS DE LOS GARZA, N.L.DICIEMBRE DE 2002


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Univers idad Autnom a de Nuevo LenFacul tad de Ingenier a M ecnic a y Elct r icaDiv is in d e Estudio de Post-gradoLos miembros del comit de tesis recomendamos que la tesis"Mtodo para eva luar la ca l idad de l a is lamien to en te rmina lesde med ia tens in a par t i r de las pru ebas d e H i -Po f rea lizada porel alumno Ing. Jess Roberto Martnez Rodrguez, matrcula633041, sea aceptada para su defensa como opcin al grado deMaestro en Ciencia de la Ingeniera Elctrica con especialidad enControl.

El Com it de Tesis

Dr. Ernesto Vzqu ez MartnezAsesor

Dr. Fern jrt Ram rez// Dff^Fturo Conde Enr iquez- / ___Coasesor

Dr. Guadalupe Alan/Castil lo RodrguezDivisin de Estudios d e Post-gradoDr. Guad alup e A lan/Castil lo

San Nicols d e los Garza, N L.Diciembre de 200 2


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DEDICATORIA

A mis hijas Mariana y Paulinna que son el amor de mi vidaA mi esposa, que tanto la quiero y que ha estado a mi lado en todo

momento que la he necesitadoA mi madre querida que me ha ayudado siempre y se esforz por

pagarme el inicio de mi maestra.


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A GRA DE CI M I E NT OAl mi asesor el Dr. Ernesto Vzquez, quien me apoyo en todo momentoen mi tesis , su aporte en conocimientos y experiencias fue fundamental para el

desarrollo de la tesis.Al Ing. J uan Carlos Ruiz de Condumex, por proporcionarme informacin

importante que me ayudo en el desarrollo esta tesis.


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P R O L O G O

En los ltimos 5 aos de mi trayectoria profes ional, he vivido el crecientedesarrollo de nuevas instalaciones subterrneas y conversiones de viejasinstalaciones areas a subterrneas, por lo que me nace profundizar sobre estetema, su pasado, su presente y su futuro.

Las instalaciones subterrneas son conocidas en Mxico desdeprincipios de siglo, en las calles de Guatemala y Argentina en el D.F. fueronencontrados cables enterrados en el ao de 1901. Las bvedas para instalarequipos y transformadores sumergibles ms antiguas datan de 1910, ao enque se contaba con algunas reas de distribucin subterrnea en el centro delas ciudades de Veracruz, Puebla y Monterrey.

En el ao de 1950 se contaba con cables subterrneos en el primercuadro de la ciudad de Mxico con una capacidad instalada de 58,110 kVA.Alrededor del mismo ao se construyeron algunas reas, en ciudades deprovincia, en donde nicamente el secundario y las acometidas eransubterrneas; el cable primario y los transformadores areos


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En 1969 se plane la construccin de un rea residencial con campo degolf en la ciudad de Guadalajara y en las que los inversionistas requirieron quetoda la Instalacin elctrica fuera subterrnea. Esta fue el primer rearesidencial en Mxico completamente subterrnea y construida con losdesarrollos mas recientes en equipo y materiales en este campo. El costo deesta instalacin fue lo suficientemente adecuada como para empezar a pensaren construir las nuevas reas residenciales con instalaciones elctricastotalmente subterrneas.

En lo que respeta a distribucin comercial subterrnea trifsica, desde1968, se empezaron a reconstruir algunos sistemas ya viejos y obsoletos, comopor ejemplo, en las ciudades de Veracruz (14,000 kVA), Puebla (12,000 kVA),Monterrey (20,000) y Tampico (10,500). Tambin se empez la conversin dealimentadores areos a subterrneos en las ciudades de Guadajara (49,000kVA), Len (3,000 kVA) y Minatitlan (3,600 kVA).

En esta poca 1971, es cuando las instalaciones han tenido un desarrollode forma casi explosiva, con 402,800 kVA instalados en el sistema subterrneoen la ciudad de Mxico con un incremento del 320% en 11 aos.

En lo concerniente a la construccin de nuevas reas residenciales,comerciales, hoteleros etc. La prctica actual en la ciudad de Mxico, puertos yciudades tursticas del pas es que tengan sistemas subterrneos.

Una de las principales razones por las que existe un aumento en laconstruccin de sistemas subterrneos es que se ha podido llegar medianteequipo adecuado y filosofas, a un costo razonable en comparacin con lasinstalaciones areas.

Entonces, como se observa, las redes subterrneas presentan uncrecimiento importante, pero este se ha visto limitado por diversos paradigmas.


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Con respecto a estos sistemas de distribucin se presentan los siguientesproblemas a vencer para lograr un mayor desarrollo.a) Problemas tcnicos como son el manejo de grandes cantidades de energacon mayor confiabilldad, continuidad y mnimo de mantenimiento.b) Problemas urbanistas referentes al mejoramiento del aspecto y belleza deciudades, puertos tursticos y centros histricos.c) Y hasta el ao pasado la falta de difusin y promocin en general paraimpulsar este tipo de instalaciones, y este es de relevancia, para resaltar lasventajas que conllevan las redes subterrneas sobre las areas, entre otras laplusvala de las casa habitacin.

Cabe mencionar que desde el ao pasado, Comisin Federal deElectricidad esta recomendando y en muchas ocasiones exigiendo la instalacinsubterrnea en su totalidad, o por lo menos una instalacin hbrida. Actualmenteen Monterrey el porcentaje de instalaciones subterrneas es aproximadamentetan solo del 5% contra un 95% de instalaciones areas.

En la medida en que el cable de potencia tenga mas demanda por partede la industria, contratistas y CFE, ser mas la necesidad de instalar la terminalde media tensin como accesorio del cable de potencia. Y entonces tambinser importante que los ingenieros de campo estn mas involucrados ycapacitados en la pruebas para verificar la confiabilidad de! sistema (terminal ycable)


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INDICECap i tu lo Pagina

Sntesis 11 Introduccin 41.1 Descripcin del problema 61.2 Objetivo de la tesis 61.3 Hiptesis 61.4 Lmites 61.5 J ustificacin del trabajo 61.6 Metodologa 7

2 Terminales y Empalmes en cables de potencia 82.1 Introduccin 82.2 Teora de Cables 9

2.2.1 Conductor 122.2.2 Aislamiento 142.2.3 P antallas E lctricas 162.2.3.1 P antalla sobre el conductor 172.2.3.2 P antalla sobre el aislamiento 192.2.4 Cubierta 192.2.5 Capacitancia y reactancia capacitiva 20

2.3 Teora de terminales y empalmes 222.3.1 Funcin de la terminal 22


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5 Validacin de Resultados 585.1 Introduccin 585.1 Caso 1, planta generadora de energa 595.2 Caso 2, planta refinera 615.4 Caso 3, terminal con cable daado 666.- Conclusiones y Recomend aciones 706.1 Introduccin 706.2 Aportaciones 736.3 Recomendaciones para trabajos futuros 73Bibliografa 75Listado de F iguras 76Listado de Tablas 77Listado de Grfica 78Resumen Autobiogrfico 79


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SINTESISEl objetivo de mi tesis es la elaboracin de una herramienta de soporte

para los ingenieros, de la industria o contratistas para determinar el estado delas terminales y empalmes antes de ser energizadas. La prueba que se realizaes la de Hi-Pot y que consiste en aplicar seis inyecciones de un alto voltaje decorriente directa, en intervalos de aproximadamente un minuto; la variableobservada es la corriente fuga. Los valores de voltaje estn definidos por lasnormas de cada pas, en nuestro caso la NOM ("Norma Oficial Mexicana"). Lafalta de experiencia en dicha prueba deriva un desconocimiento en lainterpretacin de la corriente de fuga y trae como consecuencia la falla de laterminal empalme en un corto o mediano plazo, cuando su tiempo de vidadebe ser la del cable (25 aos aproximadamente).

En el captulo 2, se establecen las bases de la teora de cables de mediatensin (considerando media tensin de 1kV hasta 46 kV). Se defini la funcinprimordial del cable, as como la funcin de cada una de los elementos que loconstituyen. S e explic los diferentes tipos de cables, y sus aplicaciones.Tambin se establecen las bases de la teora de terminales y empalmes.La clas ificacin de terminales y empalmes, las diferentes tecnologas existentes;las ventajas y desventajas de cada una de ellas.


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En el captulo 3, se estudi a detalle el problema para verificar laoperatividad de accesorios antes mencionados mediante la prueba de Hi-pot.Se analiz el procedimiento de evaluacin y resultados de las pruebas parauniformizar criterios de distintas personas expertas en el medio, considerandotambin lo establecido por diferentes corporaciones tales como la NormaMexicana, Comisin Federal de Electricidad etc. Tambin se mostr la conexinde una terminal, as como su circuito equivalente, el anlisis de lascomponentes de la corriente de fuga.

E l gran problema es la falta de experiencia para interpretar los valoresde corriente de fuga, esto debido a que pocas personas realizan la prueba deHi-Pot por que no son exigidas en algunos de los casos y la otra porque notodos los Instaladores Contratistas o Industrias cuentan con el aparato que esmuy costoso. Es aqu en donde el trabajo de la tesis esta enfocado, unaherramienta que supla esta falta de experiencia.

En el captulo 4 se explica el diseo de una modelacin matemticateniendo como base el anlisis del circuito elctrico. En donde se desarroll unalgoritmo en el cual las variables que nos ayudaron a determinar el estado de laterminal fueron la conductancia y la corriente de fuga.

En el captulo 5, se prob el diseo con tres casos diferentes, dos deellos de campo recolectado de importantes industrias, y una que se efectuespecialmente para prueba de este diseo. Tambin se identificaron problemasen la implementacin, lo que nos orillo a considerar una segunda opcin, la cualnos ayudo en la comparacin de resultados. Esta segunda opcin fue unsoftware estadstico llamado SIMFIT, el cual corrobor los resultados delmodelo matemtico en una de las etapas que tuvimos problemas deimplementacin.


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En el captulo 6, se mencionan las conclusiones en general de esta tesis,as como las recomendaciones para trabajos futuros.


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1 INTRODUCCIN

1 .1 DESCRI PCIN DEL PROB LEM A

En las instalaciones de terminales de cables de potencia de mediatensin, se requiere verificar que la instalacin y operacin de la terminal (conode alivio) sea la correcta antes de ser energizada; para esto se realiza unaprueba de dielctrico utilizando el Hi-P ot.

La prueba de Hi-Pot consiste en aplicar un voltaje de corriente directa ala terminal en 6 intervalos, los valores dependen del voltaje nominal de laterminal y se obtiene una lectura de corriente de fuga en micro ampares, lagrfica voltaje vs corriente que se obtiene es la curva de Hi-Pot. Se requiere deuna persona con mucha experiencia para interpretar el comportamiento de losresultados de una prueba y as dictaminar el estado de la terminal. En algunasocasiones esta prueba no se realiza debido al desconocimiento sobre lainterpretacin de la curva, y trae como consecuencia la falla de la terminal enun corto o mediano plazo.

Una variedad de aparatos y procedimiento de pruebas han sido utilizadosen un esfuerzo para determinar la calidad del aislamiento. Aunque varios


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mtodos y aparatos de prueba usan voltaje de, sin embargo los antecedentesindican limitaciones en la utilizacin de este tipo de seal de voltaje.

Las principales limitaciones se exponen a continuacin.No hay correlacin reconocida entre la fuerza ac del aislamiento y laprueba de voltaje en de. Estos niveles de prueba son principalmente

experimentales.Segundo, para un cable envejecido la prueba de voltaje de de puede

daar el aislamiento. Cuando posteriormente se aplica ac el aislamiento fallaren un nivel ms bajo que si ste no se hubiera sometido a la prueba de de.Algunos datos indican que la vida del cable debe ser 5 veces ms que si ste nose hubiera probado con de.

Tercero, si un arco elctrico ocurre durante la ruptura del aislamiento elesfuerzo del voltaje causa transitorios los cuales pueden degradar el resto delaislamiento. El reflejo de la ondulacin duplicar el mximo voltaje, el cualpuede causar dao o fallas mltiples a lo largo del cable.

Finalmente se requiere una prueba de voltaje ms alta de de que paraoperaciones de ac . La corriente de de permite la formacin de cargas en losvacos del aislamiento. El campo elctrico necesario para vencer esta carga essumada al campo necesario para la ruptura del aislamiento.

E total = E vacio + E aislamientoEl campo elctrico nominal de ac en un aislamiento para 5 kV, 90,000

mil conductor es 55 volt/mil. El campo necesario de de para un arco elctricoen el aislamiento debe ser 10 veces mayor. Estos altos esfuerzos inusualescausan deterioro en el aislamiento, y su ruptura posteriormente con la fuerza deac.

A pesar de todas las limitaciones antes mencionadas, si una prueba decampo es realizada el mtodo de prueba de de es la eleccin. Sin embargo


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permita el nmero de verificaciones, por las Unidades Verificadoras antes deenergizar una terminal en un el sistema industrial de media tensin.

1.6 METODOLOGA1) Estudio del problema para verificar la operatividad de las terminales en

un sistema elctrico.2) Anlisis de los procedimientos de obtencin de las curvas de Hi-Pot, y

los criterios de evaluacin utilizados.3) P rogramar reuniones de trabajo con ingenieros de campo paraestablecer los criterios prcticos y casos crticos que determinan si la

instalacin de terminales es correcta a partir de los datos de la curva de Hi-P ot.4) Recopilar estos mismos criterios a partir de referencias bibliogrficas;

el objetivo es obtener un conjunto de criterios estndares, con una mnimaambigedad.

5) Disear un modelo matemtico que determine en forma automtica sila instalacin de terminales es correcta.

6) Realizar pruebas utilizando registros de curvas de Hi-P ot, a fin devalidar los resultados del modelo matemtico.


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2 T E RM INA LE S Y E M P A L M E S E NCABLES DE POTENCIA

2.1 INTRODUCCIN

Los cables de potencia son parte de los elementos de un sistemaelctrico de potencia, que al igual que los circuitos areos tiene como funcin latransmisin de energa elctrica. Debido a su diseo, los cables son conectadosa otros equipos (transformadores, Interruptores, circuitos areos, etc) medianteterminales. Estos accesorios deben ser diseados, fabricados e instalados enforma rpida y eficiente para asegurar un perodo prolongado de vida til enbeneficio de la continuidad del servicio.

En este captulo se hace una breve descripcin de los cables depotencia y sus caractersticas de diseo. As mismo se analizan las funciones ytipos de terminales y empalmes utilizados actualmente en cables de potencia.


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2 .2 TEOR A DE CA B LESLa funcin primordial de un cable de energa aislado es la de transmitir

energa elctrica a una corriente y tensin preestablecidas, durante ciertotiempo. Es por ello que sus elementos constitutivos primordiales deben estardiseados para soportar el efecto combinado producido por estos parmetros.

Los elementos que constituyen la estructura bsica del cable son: elconductor, el aislamiento, las pantallas (semiconductoras y metlicas) y lacubierta. Los cables pueden ser unipolar o tripolar, pero en general suconstruccin es la misma.

En la Fig. 2.1 se indican las partes de las que consta un cable depotencia.

ConductorP antalla SerrQonductoraAislamiento-Primario

Pantalla SemicoimictoraPantalla Metlica

Cubierta del cableF ig. 2.1a Estructura bsica de un cable (corte transversal).


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F ig. 2.1b Estructura bsica de un cable con pantalla metlica de cintas.

F ig. 2.1c Estructura bsica de un cable con pantalla metlica de hilos.


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a) DS - Distribucin Subterrnea; utilizado en la industria en general yzonas comerciales.

b) DR S - Distribucin Residencial Subterrnea; utilizado en redes dedistribucin subterrnea en zonas residenciales.c) Cubierta de plomo; utilizado en refineras y plantas petroqumicas.

a) b) c)Fig. 2.2 Estructura de tres tipos de cables a) Distribucin Subterrnea

con pantalla de hilos cintilla de cobre, b) Distribucin Residencial Subterrneade hilos gruesos con o sin cubierta, c) Con pantalla de plomo.

Un cuarto tipo de cable es el de Papel impregnado en aceite quecontiene un forro de plomos que garantiza su hermeticidad contra la entrada dehumedad. Desde finales del siglo XX ha sido el aislamiento de la mayora de loscables, que hasta la fecha siguen operando en algunos circuitos de la Ciudad deMxico. Actualmente solo la compaa de Luz y Fuerza del Centro sigueutilizando este tipo de cable.


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2.2.1 CONDUCTORSu funcin es la de transmitir la corriente a travs del cable y dar

resistencia a la traccin. Las cuatro caractersticas del conductor son el tipo demateriales, la flexibilidad, la forma y las dimensiones.

Los materiales ms usados como conductores elctricos son el cobre y elaluminio, aunque el primero es superior en caractersticas elctricas ymecnicas (la conductividad del aluminio es aproximadamente el 60% de la delcobre y su resistencia a la tensin mecanica el 40%), las caractersticas de bajopeso del aluminio han dado lugar a un amplio uso de este metal en lafabricacin de cables aislados y desnudos. En la Tabla 2.1 se indican laspropiedades de los materiales empleados como conductores en cables.

Metal Densidad(g/cm3) Temperaturade fusin(C)Coeficiente lineal dedilatacin(x10-6/aC)

Resistividadelctrica 20'C(Q-mm2/km)Coef. trm.de resistiv.Elctrica


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Las formas de los conductores de uso ms general en cables de mediatensin son: la Redonda (normal compacto) y el Sectorial.

La escala ms usada para los calibres en los Estados Unidos es la"American Wire Gage" (AWG), misma adoptada en Mxico. La escala se formofijando dos dimetros y estableciendo una ley de progresin geomtrica paradimetros intermedios. Los dimetros base seleccionados son 0.46 pulgadas(calibre 4/0) y 0.0050 (calibre 36) y hay 39 dimensiones entre estos dos. Esdecir:

: . D = 1.229" x Dn oDonde D 0 = 0.127mm (0.005in)y D n = el ensimo calibre de la escala y"n" va desde 0 a 39.Para secciones superiores a 4/0 se define el cable directamente por su

dimetro o rea. La unidad es el Circular Mil que representa el rea del circulode un mil de dimetro. Las siglas son MCM o KCM que equivale a mil circularmils.

La escala de la IEC ("International Electrotechnical Comissin") es la msusada en la actualidad con excepcin de los Estados Unidos y paseslatinoamericanos. La escala consiste en proporcionar la medida directa de reatransversal de los calibres en milmetros cuadrados. En el caso de Mxico, eluso de la escala IEC se limita a la Compaa de Luz y Fuerza del Centro.

En la Tabla 2.2 se muestran por orden de tamao las escalas antesmencionadas con su rea de la seccin transversal en milmetros cuadrados, elnmero de alambres que comercial mente se colocan as como su dimetroexterior nominal en milmetros (todo para construccin con cableado redondocompacto):


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2mm AW G o MC M Area de la seccintransversal en mm2No. dealambres Dim. Ext.nominal mm.

8 8.37 7 3.46 13.3 7 4.294 21.15 7 5.412 33.6 7 6.811 42.4 19 7.5950 48.3 19 8.331/0 67.4 19 8.532/0 67.4 19 9.5570 69 19 9.783/0 85.0 19 10.744/0 107.2 19 12.06250 126.7 37 13.21150 147.1 37 14.42300 152.0 37 14.48350 177.3 37 15.65400 203 37 16.74240 239 37 18.26500 253 37 18.69600 304 61 20.6750 380 61 23.1800 405 61 23.81000 507 61 26.9Tabla 2.2 Calibres de los conductores.

2.2.2 AISLAMIENTOLa funcin del aislamiento es confinar la corriente elctrica en el

conductor y contener el campo elctrico dentro de su masa. En ese sentido losfactores que deben ser considerados en la seleccin de los aislamientos son lascaractersticas elctricas y mecnicas del material.

Los aislamientos se pueden dividir en dos grupos principales, los depapel impregnado y los de tipo seco. A continuacin se describen suscaractersticas.


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De papel impregnado. En este caso se emplea un papel especialobtenido de pulpa de madera, formado con celulosa de fibra larga. El cableaislado con papel sin humedad se impregna con una sustancia para mejorar lascaractersticas del aislante. Las sustancias ms usuales son: el aceite viscoso,el aceite viscoso con resinas refinadas, el aceite viscoso con polmeros dehidrocarburos, aceite de baja viscosidad y las parafinas microcristalinas delpetrleo. La seleccin de cualquiera de estas sustancias depender de latensin y de la instalacin del cable. El compuesto ocupa todos los intersticios,eliminando las burbujas de aire en el papel y evitando la ionizacin en servicio.

Aislamientos de tipo seco. En este tipo se utilizan compuestos cuyaresina base se obtiene de la polimerizacin de determinados hidrocarburos y seclasifican en termoplsticos y termofilos

Los termoplsticos son aquellos que al calentarse, su plasticidad permiteconformarlos a voluntad, recuperando sus propiedades iniciales al enfriarse,pero manteniendo la forma que se les imprimi. Por otra parte los termofilos adiferencia de los anteriores, despus de un proceso inicial similar al anterior, lossubsecuentes calentamientos no los reblandecen.

El hule etileno propileno (EP) y el polietileno de cadena cruzada (XLP)son los principales materiales empleados en la actualidad para cables deenerga con aislamiento extruido.

La presencia de arborescencias (degradacin del material por elconstante paso de corriente debido a la formacin de caminos conductivos) enel aislamiento son causadas por tres factores, el agua en el aislamiento, latensin aplicada de CA y las irregularidades (cavidades, impurezas,protuberencias en las pantallas semiconductoras). En general, la presencia deestos tres factores causan una disminucin en la vida del cable y es mspronunciada para el XLP que para el EP.

El espesor del aislamiento es determinado por la tensin entre fases ylas caractersticas del sistema. Generalmente se especifica el nivel de voltajeque el cable puede soportar durante cierto tiempo, en la norma ANSI/IEEE seestablece el porciento de nivel de aislamiento y los cables se subdividen en: a)


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100%: Cables que no pueden operar ms de un minuto con falla a tierra en e!sistema, b) 133%: Cables que no pueden operar mas de una hora con falla atierra en el sistema, c) 173%: Cables que puede operar mas de una hora confalla a tierra; en este caso el aislamiento del cable est diseado para soportarcontinuamente el voltaje de lnea del sistema.

2.2.3 PANTALLAS ELCTRICASCuando se aplica una tensin entre un conductor elctrico y el plano de

tierra (o entre 2 conductores), el dielctrico intermedio se somete a esfuerzoselctricos. Estos esfuerzos, si son de magnitudes elevadas, pueden producirdeterioro del material del dielctrico y producir efectos indeseables al nocontrolarse en forma adecuada. El control de estos esfuerzos se logra medianteel uso de las pantallas elctricas. Estas se aplican en los cables de energa conel fin de confinar en forma adecuada el campo elctrico a la masa deaislamiento del cable.

Uno de los principios bsicos de los campos elctricos es que al aplicaruna tensin a dielctricos colocados en serie, con una diferente permitividad,K2, se dividir en razn inversa a las permitividades relativas de ambos

materiales. Por lo tanto, la pantalla permite crear una distribucin radial ysimtrica de los esfuerzos elctricos en la direccin de mxima resistencia delaislamiento.

Los cables de energa, bajo el potencial aplicado, quedan sometidos aesfuerzos elctricos radiales, tangenciales y longitudinales. Los esfuerzosradiales estn siempre presentes en el aislamiento de los cables energizados.El aislamiento cumplir su funcin en forma eficiente si el campo elctrico sedistribuye uniformemente. Los esfuerzos tangenciales estn asociados concampos radiales no simtricos y occuren en cables multiconductores, cuando


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cada uno de los conductores no esta apantallado, y en cualquier cablemonopolar sin pantalla. Por lo contrario, los esfuerzos longitudinales nonecesariamente estn asociados con campos radiales asimtricos y siempre losestn con presencia de tensiones superficiales en lo largo del cable.Adicionalmente, la pantalla provee al cable de una capacitancia a tierrauniforme. Los cables que se instalan en ductos o directamente enterrados, porlo general pasarn por secciones de terreno hmedo y seco o ductos decaractersticas elctricas variables. Esto da como resultado una capacitancia atierra variable y, como consecuencia, una impedancia no uniforme. Otra de lasaplicaciones de las pantallas es reducir el peligro de descargas elctricas alpersonal o en presencia de productos flamables; en cables sin pantalla como lasuperficie externa del aislamiento de los cables no est en contacto con tierra alos largo de la trayectoria de instalacin, se puede presentar una diferencia depotencial cons iderable entre la cubierta de cable y tierra.

Las pantallas en los cables de energa pueden ser, dependiendo de sulocalizacin y funcin, de dos tipos; a) pantalla semiconductora sobre elconductor y b) pantalla sobre el aislamiento.

2.2.3 .1 PANTALLA SOBRE EL CONDUCTOREn circuitos con tensiones de 2 kV y mayores se utiliza la pantalla

semiconductora a base de cintas o extruda. Los materiales de la pantalladepende del diseo del cable, ya que en cables con aislamiento de papelimpregnado se usan cintas de papel CB (Carbn Black), en cables conaislamiento slido se utilizan pantallas extruidas del material compatible con elaislamiento.

La funcin bsica de este tipo de pantallas es la de evitarconcentraciones de esfuerzos elctricos que se presentan en los hilos delconductor. La inclusin de este elemento en el diseo del cable es con el fin de


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obtener una superficie equipotencial uniforme, a la cual las lneas de fuerza delcampo elctrico sean perpendiculares.

Otra funcin es evitar ionizacin en los intesticios entre el conductor y elaislamiento, Si el aislamiento fuera extruido directamente sobre el conductor. Lacurvatura de los alambres de la corona superior daran lugar a la formacin deburbujas de aire que, al estar sujetas a una diferencia de potencial provocara laionizacin del aire con el consiguiente deterioro del aislamiento. La situacinanterior se elimina ai colocar la pantalla semiconductora, la cual presenta unasuperficie uniforme (ver Fig 2.3).

burbujas de aire aislamientohilos del conductor'

pantallasemiconductora

a) Cable sin pantalla b) Cable con pantallaFig. 2.3 Formacin de una superficie equipotencial uniforme mediante uso deuna pantalla semiconductora.


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2.2.3 .2 PANTALLAS SOBRE EL AISLAMIENTO(ELECTROSTTICA)

En cables de 5 kV y mayores se utilizan la pantalla electrosttica sobre elaislamiento que esta conformada de una pantalla Semiconductora y unapantalla Metlica.

La pantalla electrosttica sobre el aislamiento seco, puede estarconstituida por una capa de materiales termoplstico o termofijo semiconductor,o bien, por cinta semiconductora y/o barniz semiconductor. Para cables conpapel impregnado en aceite se emplean cintas de papel CB (Carbn Black)semiconductoras.

La pantalla metlica puede constar de alambres, cintas planas ocorrugadas o combinacin de alambres y cintas. En le caso de los cablesaislados con papel la cubierta de plomo hace la veces de la pantalla. El diseode la pantalla metlica se debe efectuar de acuerdo al propsito de diseo, quepuede ser para propsito electrostrtico, para conducir corriente de falla ycomo pantalla neutro.

2.2.4 CUBIERTALa funcin primordial de las cubiertas en sus diferentes combinaciones es

la de proteger al cable de los agentes externos del medio ambiente que lorodea, tanto en la operacin, como en la instalacin del cable.


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Los tipos de cubiertas ms utilizados son los siguientes:a) Metlicas. El material normalmente usado es el plomo y susaleaciones, y en una escala menor el aluminio.b) Termoplsticas. Las ms usuales son fabricadas con PVC (cloruro de

polivinilo) y polietileno de alta y baja densidad.c) Elastomricas. Bsicamente se utiliza el neopreno (polcloropreo) y el

Hypalon (polietileno clorosulfonado)d) Cubiertas textiles. Se emplea una combinacin de yute impregnado en

asfalto y recubierto con bao final de cal y talco, con el fin de evitar que seadhieran las capas adyacentes

Para definir el material de la cubierta es necesario conocer los agentesexternos a que pueden quedar expuestos los cables de energa en el medioambiente (trmicas, qumicas y mecnicas). En general la cubierta mas comnes la de PVC.

2.2.5 CAPACITANCIA Y REACTANCIA CA PA CITIVALa capacitancia entre dos conductores se define como razn de la carga

entre los conductores a la diferencia de potencial aplicada entre ellos:V

donde g es la carga entre los conductores en coulombs por kilmetro y ves la diferencia de potencial

En el caso de cables aislados el clculo de la capacitancia depende desu construccin, si es monopolar o tripolar.


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En el caso del cable monopolar con pantalla metlica, el cable representaun capacitor en el que el conductor, que se encuentra al potencial de lnea,constituye una de las placas y la pantalla o cubierta metlica, que est a tierra,constituye la otra placa. P or ultimo el dielctrico lo constituye el propioaislamiento.

Para este tipo de cables la capacitancia es:^ 0.024LS7CdCr6C- , y \ F/kmLo g Id*2'

Donde S/C es la constante inductiva especifica del aislamiento, da es eldimetro sobre el aislamiento y de es el dimetro bajo el aislamiento

En el caso de un cable tripolar con cubierta comn, la capacitancia se daen funcin del factor geomtrico G, de la siguiente manera.

^ IMxlOSICC F/kmG

La reactancia capacitiva queda definida por la siguiente ecuacin:

2jtfcdonde Xc es la reactancia capacitancia en ohm/Km, c es la capacitancia

en farad/Km y f es la frecuencia del sistema en hz .


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2 .3 TEOR A DE TERMI NAL ES Y EMPA L MES

2.3.1 FUNCIN DE LA TERMINALLa utilizacin de terminales en los sistemas de distribucin tiene como

objetivo primario reducir o controlar los esfuerzos elctricos que se presentan enel aislamiento del cable, al interrumpir y retirar la pantalla semiconductora, ycomo objetivo secundario el proporcionar al cable una distancia de fugaadicional y hermeticidad.

Para los cables de media tensin, es decir los que rebasan un voltajenominal de operacin de 1,000 Volts, los esfuerzos elctricos formados ya sonconsiderables, dado que existe una cada de potencial ruda entre el conductor yel plano de tierra, y con el fin de controlar mejor estos esfuerzos se utilizan laterminales (llamadas tambin conos de alivio)


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2.3.2 CLASIFICACIN DE TERMINALESEn Mxico, la norma que rige a las terminales de media tensin es la

NMX-J -199-1997, la cual clasifica a las terminales en la misma forma que lanorma IEEE-std-48 de 1996, y sta se basa en las funciones que puede cumplirel accesorio. La clasificacin es la siguiente:

1.- Terminal clase 1: Es aqulla que proporciona el control de losesfuerzos que se presentan en el aislamiento del cable al interrumpir y retirar lapantalla; proporciona aislamiento externo completo contra corrientes de fugaentre el(los) conductor(es) y tierra; adems proporciona un sello al final delcable contra la entrada del ambiente externo y mantiene la presin de operacinde diseo del sistema, si existe. Esta clase est dividida en tres, que son lassiguientes:

a) Terminales C lase 1A: P ara usarse en cable con aislamiento extruido.b)Terminales C lase 1B: Para usarse en cable con aislamiento laminado

(papel impregnado en aceite), pero que no ser sometido a presin.c) Terminales C lase 1C: Para usarse en cable con aislamiento laminado

y que ser sometido a presin (Cable tipo Pipe).2.- Terminal clase 2: Son aqullas que proporcionan el control de los

esfuerzos elctricos que se presentan en el aislamiento del cable al interrumpiry retirar la pantalla electrosttica; proporciona aislamiento externo completocontra corrientes de fuga entre el(los) conductores) y tierra.

3.- Terminal clase 3: Son aquellas que proporcionan nicamente elcontrol de los esfuerzos elctricos que se presentan en el aislamiento del cableal interrumpir y retirar la pantalla electrosttica del cable.


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2.3.3 FUNCIN DEL EMPALMESe entiende por empalme a la conexin y reconstruccin de todos los

elementos que constituyen un cable de media tensin. Los materiales delempalme deben ser compatibles con los elementos constitutivos del cable quese unir, y se comportar elctrica y mecnicamente como los conductores queune.

2.3.4 TIPOS DE TERMINAL ES Y EMPA LM ESExisten varias tecnologas para la elaboracin de terminales y

empalmes, de las cuales las ms comunes son:a) Encintadasb) Contrctiles en froc) Termocontrctilese) Premoldeados

2.3.4 .1 TERMINAL ES Y EMPAL MES ENCINTADOS

Esta tecnologa emplea diferentes tipos de cintas, en el caso de lasterminales se forma un especie de cono sobre el aislamiento y pantallasemiconductora para controlar los esfuerzos, y en el caso de los empalmes serestituye los diferentes componentes del cable a excepcin de conductor, estose lleva a cabo aplicando cintas en forma sucesiva, hasta obtener todos loselementos del cable. Esta tecnologa es la ms econmica pero requiere mstiempo de instalacin y probabilidades de falla por mano de obra. No obstantelas cintas tienen una gran ventaja, ya que con los mismos tipos de materiales sepuede hacer frente a cualquier calibre y tensin de cable entre los 5 y los 69 kV,


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Esta tecnologa se encuentra restringida en reas clasificadas, talcomo refineras e industrias que requieran/produzcan/manejen combustibles, yaque la necesidad de flama los convierte en una fbrica de accidentes pocodeseable, o bien, en una grave dificultad para el departamento demantenimiento para conseguir libranzas de operacin y/o permisos para uso defuego.

2.3.4 .4 TERMINALES Y EMPALMES PREMOLDEADOS

Esta tecnologa emplea una pieza de fabricado con huleselastomricos al tamao preciso del cable, o sea para una determinada tensiny calibre en especifico (puede daarse el aislamiento al momento de lainstalacin). Requiere fuerza fsica para su instalacin y su sello no es tanconfiable como en los casos anteriores.


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3 PRUEB A DE HI-POT

3.1 INTRODUCCIN

La utilizacin de cables de potencia involucra la necesidad de utilizarterminales para poder conectar a otros equipos, como transformadores,interruptores y circuitos areos entre otros. Como se describi en el Captulo 2,existen distintos tipos de terminales y procedimientos para su instalacin. Cadatipo de terminal tiene un proceso de instalacin determinado, que requiere, entreotros aspectos, retirar la pantalla semiconductora del aislamiento. Este procesopuede daar o contaminar el aislamiento del cable, y provocar que falle encondiciones normales de operacin.

Existe una norma mexicana para terminales (NMX-1997-ANCE),la cuales sumamente parecida a la norma americana (IEEE-std-48-1996), y una paraempalmes (Nom j-158-1978, norma americana IEEE-404). Ambas normas seexigen pruebas prototipo y de rutina para analizar la efectividad de las terminal yempalmes.


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El propsito de este captulo es describir el procedimiento de pruebas encampo para la aceptacin de una terminal, as como describir la evaluacin delos resultados de las pruebas.

En la actualidad el mtodo preferido de para la evaluacin de cables esel Hi-P ot. La prueba tiene por objetivo determinar el buen o mal estado de laterminal a travs de los valores de la corriente de fuga del aislamiento.

Este simple mtodo permite muchas interpretaciones. Como resultado,no hay conciencia sobre la los niveles de voltajes y corrientes para evaluar uncable usado. Para cables nuevos la IEEE ha aceptado valores de voltajesdados por los fabricantes.

Actualmente con una mejor calidad de los cables y la experiencia en laindustria, ingenieros de mantenimiento emplean los valores de prueba muybajos para cables en servicio. Otros usuarios especifican en sus pruebasvalores muy altos.

El argumento es que un alto voltaje encontrar el punto ms dbil delaislamiento antes de instalar un cable. Otro argumento es, que el exceso de altovoltaje producir un dao innecesario en el aislamiento. Adems la pruebarepetitiva del cable producir el deterioro mayor del aislamiento. Un problemaimplcito es la falta de datos experimentales o informacin para validar estosargumentos.

3.2 PRUEBA DE HI -POT

El Hi-Pot es un instrumento porttil con salida de alto voltaje de de que dauna lectura directa de la corriente (llamada de corriente fuga) en microAmperes.El objetivo de esta prueba es verificar la confiabilidad del sistema (cable

y terminal) en general; no solo que el aislamiento del cable resista la mxima


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tensin de operacin, sino corroborar que la operatividad de las terminales yempalmes sea la correcta

La prueba de Hi-Pot consiste en aplicar un voltaje de corriente directa ala terminal, durante 6 intervalos de tiempo hasta llegar a el voltaje mximo (verTabla 3.1), y cuyo ltimo valor se aplicar durante 5 minutos, siendo la corriente(de fuga) la variable a observar. Esta prueba se aplica nicamente de fase atierra. La prueba se realiza en instalaciones nuevas, en instalaciones concierto tiempo de operacin (como perodo de garanta) a instalaciones viejascon ms de 25 aos de servicio para determinar su vida til. Este es un mtododestructivo y ocasiona deterioro en el aislamiento del cable por el efecto depolarizacin.

Antes de que un cable de media tensin sea energizado debersometerse a esta prueba de aceptacin. Hay varios equipos disponibles parahacer sta tipo de pruebas y no existe un estndar en la industria queespecifique los procedimientos de prueba, por lo tanto aqu se describe unsistema umversalmente aplicable a todo tipo de instalaciones, intentando cubrirla mayora de las condiciones que intervienen en las pruebas para cables demedia tensin y sus accesorios (terminales y empalmes).

3.2.1 CONEXINEl conductor de tierra debe conectarse al equipo de prueba, a las

pantallas metlicas del cable, prtiga de tierra del equipo y al sistema de tierra.Tambin deben conectarse a tierra las terminales prximos que no se vayan aprobar; por ltimo, el conductor del Hi-pot (alta tensin) se conecta al conductordel cable segn muestra en la Fig. 3.1.


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En la Fig. 3.1b se muestra el circuito equivalente de la conexin indicadaen la Fig. 3.1a donde: la es la corriente de fuga interna a travs del aislamiento(del condutor hacia la pantalla metalica). Donde la Ix es la corrientecapacitiva, la Iy es la corriente de polarizacin, la Iz es la corriente deconduccin, la R es la resistencia interna del Hi-pot y V e\ voltaje de de del Hi-Pot.

la

V d c ) H i - P o t it k

CcO


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corriente directa durante 5 minutos sin exceder los valores indicados en la Tabla3.1.

Tensin deOperacinKV

Tensin de aguante en corriente directa durante 5 minutos mximoensin deOperacinKV

Durante la instalacin (kV) Despus de la instalac in (kV)Tensin deOperacinKV XLP y EP XLP EP

Tensin deOperacinKV

A B A B A B2.5 12 16 4 5 10 135 28 36 9 11 22 29

8.7 36 44 11 14 29 3515 56 64 18 20 45 5125 80 96 25 30 67 80

34.5 100 124 31 39 80 9946 132 172 41 54 106 13869 192 255 61 81 154 205115 310 412 101 134 265 352120 324 431 106 141 277 368138 372 495 121 161 319 424161 419 557 140 186 370 492230 545 752 200 266 531 706

A: Aislamiento al 100%B: Aislamiento al 133%

Tabla 3.1. Pruebas dielctricas en campo para terminales con cable extruido.

De acuerdo a la Tabla 3.1 el valor de voltaje asignado para la prueba deHi-Pot depende del voltaje de operacin. Por ejemplo un cable tpico de campo Ide 15 kV, calibre 1/0, 100% de aislamiento le corresponde un voltaje de pruebade 56 kV.


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3.2.2 CRITERIOS DE EVALUA CIN DE LOS RESUL TADO SEl resultado de la prueba de Hi-Pot es un conjunto de seis pares de

valores , compuesto por el voltaje de prueba aplicado y la corriente de fugamedida en el aislamiento y/o superficie de la terminal. En general, el valor de lacorriente de fuga caracteriza el estado del aislamiento, y por ende, la calidad dela terminal (o empalme), as como el proceso de instalacin.

Sin embargo, el aislamiento tiende a comportarse de forma distinta deacuerdo a las condiciones de la prueba, la calidad del material y el grado dedeterioro del mismo. Por ende, no existe un criterio estandar de la magnitud dela corriente de fuga para tomar una decisin. El criterio utilizado en estos casos,es observar el comportamiento de la corriente de fuga en las diferentes etapasde la prueba. El comportamiento esperado despues de cada incremento devoltaje aplicado es que la corriente de fuga presente un pico que posteriormentese estabilice. Los valores de corriente son en general en el orden dem i croa m peres.

Un indicativo de falla es cuando la corriente de fuga presenta dicho picopero sin estabilizarse, algunas veces de una manera muy rapida, y entoncesesto ltimo indica que la falla es severa.

Los factores que pueden influir en la obtencin de los valores de lacorriente de fuga son: la longitud del cable (a mayor longitud mayor corriente defuga), la humedad relativa (a mayor humedad relativa mayor corriente de fuga),la temperatura del medio ambiente, los cuidados en la conexin (distanciasentre fases, entre la fase y tierra, entre objetos, etc.), el estado fsico del cable(humedad, corrosin, nuevo, viejo, etc.), y la densidad del aire.

El anlisis de la curva resultante de la prueba nos indica, adems delbuen estado del sistema (integridad o defecto del cable), otros factores como, la


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presencia de humedad, burbujas o contaminacin del aislamiento, as como unprocedimiento de instalacin de inadecuado.

3.3 VALOR DE AISLAMIENTO (RESISTENCIA)Pueden utilizarse la tensin (V) y la corriente de conduccin (I)

observadas durante la prueba de Hi-Pot para calcular la resistencia efectiva delaislamiento (R) del sistema por medio de la ley de Ohm, donde

kV* = (K a)El clculo de la resistencia contra la tensin de la prueba, en conjuncin

con la prueba de tensin por pasos, constituye una ayuda para evaluar lascondiciones del aislamiento. Una reduccin sustancial en la resistencia delaislamiento con el incremento de la tensin es una indicacin de dao en elmismo.

Para el aislamiento, su valor de resistencia varia con la longitud. En lamedida de que la longitud del aislamiento decrezca, el valor en mega-ohmsdecrece tambin. Este cambio no es linealmente proporcional debido a que elaislamiento se comporta como una resistencia en paralelo. Para pruebas deVoltaje, la corriente de Fuga debe incrementarse exponencialmente en lamedida que la longitud se incremente.

Antes de efectuar la medicin, se determina analticamente la resistenciadel aislamiento del cable, segnR = K log 10 ( )d


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Donde la R es la resistencia calculada del aislamiento para cd, K esconstante de resistencia del aislamiento, O es el dimetro sobre el aislamientoen milmetros y d es el dimetro bajo el aislamiento en milmetros.

Para la medicin de la resistencia del aislamiento de un cable de mediatensin es comn utilizar el megger, antes de realizar la prueba de Hi-Pot.

3.4 AN LISIS DE RESULTADOS DE LA PRUEB A DE HI-POT

El criterio de evaluacin de la curva voltaje-corriente es lo que permiteestablecer el estado de! aislamiento. Como se mencion en la seccin 3.2.2para la prueba de Hi-Pot, en los primeros 5 intervalos de tiempo se aplica unvoltaje ncremental (dependiendo del voltaje nominal y tipo de aislamiento delcable), esto ocas iona un pico de corriente momentneo, que se estabiliza en uncierto tiempo despus de aplicado el voltaje; el valor estable es el que seconsidera como parte del resultado de la prueba y representa la corriente inicialantes del siguiente incremento de voltaje.

Los intervalos son normalmente menores a 1 minuto, no es necesarioesperar el minuto completo ya que si la corriente se estabiliza se puedeincrementar el voltaje de la prueba para el siguiente intervalo de tiempo; de igualforma, la estabilizacin de la corriente en el ltimo intervalo (que es de 5minutos) a tensin mxima de prueba ser motivo para finalizar la prueba. Engeneral, la estabilizacin de la corriente de fuga es muestra de buen estado delcable y terminal, y del circuito completo. Mientras ms rpido se estabilize lacorriente y menor sea su valor (este ltimo depende de las condicionesambientales) es un indicativo de que no hay burbujas de aire y contaminacindentro del aislamiento, as como una buena preparacin del cable e instalacinde las terminales y los empalmes.


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En la Fig. 3.2 a) se muestran las grficas del comportamiento de lacorriente de fuga para el caso de que el cable con aislamiento en buen estado yuna terminal bien instalada, esto debido a que en cada uno de los intervalos lacorriente se estabiliz y en ningn momento hay un incremento severo de lacorriente.

i

1 2 3 4 5Intervalos de tiempo b)Fig. 3.2 a) Comportamiento de la corriente de fuga b) Valores de voltajeaplicados.

En la Fig. 3.3 se muestran curvas tpicas de corriente en el tiempo que sepueden obtener con la prueba de Hi-Pot. Como puede apreciarse, las curvas A,B, y E son las que reflejan un buen estado del aislamiento del cable e


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instalacin de la terminal. Las curvas C y D reflejan mal estado del aislamientodel cable y/o mala instalacin de la terminal.

Segn la experiencia de algunos ingenenieros de pruebas, se describen acontinuacin cada una de las curvas tpicas.A- Curva tipica de un buen aislamiento.B- Buen aislamiento con terminales hmedas.C- Posibilidad de burbujas o impurezas.D- Mano de obra defectuosa, presencia de materiales semiconductores sobre el

aislamiento.E- Esta curva indica presencia de hmedad que no es suficiente para provocar la

falla.En base a lo anterior, se pueden analizar los resultados de una prueba

de Hi-Pot. A continuacin se incluye un formato tpico de un reporte de pruebaen campo de un cable de 23 kV, calibre 1/0 AWG de 15 metros de longitud. Enla parte final del reporte se indican los valores de la magnitud de la corriente defuga en cada etapa de la prueba; en este caso se tomo el registro de la corrientecada minuto y la ltima parte durante cinco minutos a un voltaje sostenido de80 kV.


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Logotipo y/o Nombre de la Compaa que realiza la pruebaNom bre d el Proyecto y/o Usuario Final, seccin/localizacin del circuito9No. de Reporte y FechaNombre del Responsable de las pruebasDatos del Circuito Circuito Provisional de Transformador de ServiciosDatos del cable Tipo de Aislamiento: XLPTensin: 23 KV Nombre del Fabricante

Long itud: 15 mts Calibre: 1/0 A W GConfiguracinTerminales por fase: 2 Observaciones:Emp almes por fase: 0Datos de Prueba Nom bre del responsable que aprueba:Norma de Referencia: NMX-J -199-ANCEEdad del Circuito: Nuevo, Recin InstaladoPrueba: Aislamiento @ 5000 V, 1 min.Fl : 825 GigaohmsF2: 3.03 TeraohmsF3: 1.44 TeraohmsPrueba Hi-Pot Nombre del CircuitoKV TIEMPO F-l F-2 F-34.2 10 seg. 0.10 0.30 0.30 M8.3 20 seg. 0.30 0.30 0.40 M12.5 30 seg. 0.15 0.60 0.40 M16.5 40 seg. 0.34 0.18 0.17 M20.6 50 seg. 0.70 0.35 0.45 M25 60 seg. 0.87 0.73 0.69 M25 1er min . 0.85 0.73 0.68 M25 2do min . 0.85 0.72 0.69 M25 3 er m in. 0.85 0.71 0.68 M25 4to min . 0.85 0.72 0.68 M25 5to min. 0.85 0.72 0.67 MResultados Satisfactorios


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Los valores e informacin aqu contenidas se basan en fuentes y equipo queconsideramos confiables, sin embargo, la Compaa no se hace responsable porel desempeo de los circuitos probados durante su vida til, ms all de lagaranta explcita por escrito aplicable a los 3 productos instalados en dichoscircuitos.

Nombres, firmas y fecha de: Responsable de las pruebas en campo,Responsable de aceptacin, testigo o propietario del circuito.

En la tabla se observa que el comportamiento de la corriente de fugapresente, en las tres fases, es estable, y de valor pequeo (nornalmente valoresde corriente de fuga en el orden de microamperes se consideran muyaceptable), sin embargo los resultados presentan una variacin atpica conrespecto a las curvas descritas en las Fig. 3.2 y 3.3. La reduccin de la corrientede fuga en el aislamiento durante el incremento del voltaje de prueba no tieneuna justificacin nica, y puede deberse a varios factores, entre los que sepueden mencionar, la exactitud del aparato de medicin (calibracin del Hi-Pot)las condiciones ambientales en el momento de la prueba, o la falta dehomogenidad del material de que esta compuesto el aislamiento del cable. Engeneral, la forma de la curva es nica para cada prueba, incluso para el mismocable en distintos momentos.

Por tanto, determinar el estado del aislamiento del cable despus de lainstalacin de una terminal o un empalme puede arrojar distintas conclusiones,en dependencia de la experiencia de la persona que realice la prueba y analicelos resultados en forma grfica.


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4 MTODO DE A NA L ISIS DE LA SPRUEBAS DE HI-POT4.1 INTRODUCCIN

La industria ha evaluado un nmero de mtodos para determinartentativamente la aceptabilidad de instalacin de un cable nuevo usado. Acontinuacin mencionamos diferentes tcnicas, con sus ventajas y desventajas.

El Hi-Pot de ca ha sido el mtodo ms eficiente para determinar una fallaen cables. Consiste en aplicar una tensin de alterna a una fecuencia industrial(50-60Hz) al aislamiento. La forma de la onda y la frecuencia de la tensinaplicada representan la manera ms fidedigna de determinar los esfuerzoselctricos que deber ser capaz de soportar el aislamiento, y no produce cargasespaciales (la aparicin de una carga espacial puede provocar la ruptura delaislamiento una vez que el cable entra en servicio). La prueba detecta puntosdefectusoso en el cable pero provee poca informacin acerca de laspropiedades del aislamiento. El equipo es grande, de manejo incomodo, costosoy mucho ms peligroso que otros mtodos. Aunque este mtodo es usado porcada fabricante en su planta, este no es usado para la evaluacin de cables encampo.


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El mtodo de Power Factor utiliza una seal de corriente alterna. Estadebe ser 50/60 Hz o alta frecuencia. La corriente es analizada para determinarla presencia de una prdida anormal. Power Factor es algunas veces llamadoeos delta y es el valor de la prdida (resistencia) del total de la energa(impedancia) de un cable. Esta prueba detecta el deterioro de las propiedadesdel aislamiento. Este no permite la caracterizacin y localizacin del puntodefectuoso. Abarca mltiples unidades de frecuencia 1-60 Hz. R equiere unacantidad excesiva de tiempo de prueba y es suceptible a interferencia defuentes de ruido externas.

El mtodo de Resonancia de pulso es un circuito en serie. Es usadodonde los cables proveen la capacitancia en serie con un inductor variable. Estopermite seales largas para ser desarrolladas con un suministro muy pequeode energia. Por conecuencia el aparato es ligero y no costoso. Una frecuenciade 50/60 Hz es aplicada al cable. Una primera prueba nos da indicaciones sobrelas propiedades del aislamiento, mediante la deteccin de descargas parciales ycambios el factor de potencia. Un suministro pequeo esta limitado a cablelargos y cable con diferentes caractersticas de prdida dielctrica.

Dissipation Factor Bridge: Este es el valor de la resistencia (prdida)de la reactancia capacitiva (energa almacenada) en un cable. Este aparatotiene caractersticas similares al factor de potencia. Esta prueba detectadeteriorio en el material pero no asi la localizacin del sitio donde se producir lafalla.

El mtodo de Spectroscopio es un aparto que aplica un rango limitadode frecuencia al cable. La respuesta del spectrum es desplegada en unoseilosepio. La forma de la respuesta de la frecuencia es analizada parapredecir la propiedades del aislamiento. Muchos anlisis detallados ydescripciones del cable son requeridos. Esta tcnica es apropiada para


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investigaciones en laboratorios. Algunos mtodos de spectroscopio incluyenbaja frecuencia elctrica, dominio del tiempo, y caractersticas de propagacin.

El mtodo de Reflectmetro en el dominio del tiempo es un pulso deentrada aplicado a lo largo del cable. La forma, polaridad y el desplazaminentodel pulso reflejado pueden ser interpretdo para localizar importantes cambio deimpedancia de las caractersticas de impedancia de un cable. Esta prueba espara localizar fallas, por lo tanto se aplica un potencial en la prueba. Laatenuacin de la seal se convierte en un problema cuando el aislamiento delcable es muydbil. El perfil del cable es requerido para comparar descargas enla impedancia.

El mtodo de Murry Loop Bridge es un alto voltaje de cd . Un balancedel puente es utilizado para determinar la localizacin relativa de la falla. Serequiere una trayectoria de carbn conductivo para que el aparato funcione.Este no funcionar con un corto de directa o mltiples imperfecciones delaislamiento.

El mtodo de Descargas Capacitivas donde un alto voltaje de ca y unacorriente alta son aplicadas para hacer fallar el cable. La energa alta ampla lafalla para que este punto pueda ser localizado mediante inspeccin visual osonido. El punto de falla si puede ser localizado pero el aislamiento serdestruido. Un cambio rpido de voltaje puede causar dao en el aislamiento porun sobre-esfuerzo. Someter el cable a potencia ca produce un deterioro delaislamiento. Una larga disipacin de energa dar como resultado un sobre-esfuerzo en el aislamiento.

El mtodo de VLF Hipot (Very Low Frecuency) es una alternativa muyviable para pruebas de cable de potencia en campo. Este mtodo incorpora alcable un pulso bipolar con una transicin sinoidal a una frecuencia hasta de 0.1Hz. Se cambia peridicamente la polaridad la cual genera rpidamente una


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descarga parcial en la imperfeccin del aislamiento. Los cambios de polaridadprevienen la formacin de espacios. El voltaje CA es aproximadamente tresveces mas que la fase a tierra. Esta prueba es para localizar el lugar de la falla yvacios el aislamiento. Este es un nuevo mtodo sin mucha correlacin deexperiencia en campo, incluso este aparato esta patentado actualmente y porende disponible con un solo fabricante.

Como se mencion con anterioridad se mostraron diferentes mtodospero ninguno de estos determina en forma precisa s i el aislamiento de un cableesta en buen estado o si la instalacin de la terminal es correcta, excepto elVLF, pero este es un aparato muy costoso y del cual los actuales Ingenieros decampo no tiene experienecia en el uso, y en muchos casos ni el conocimientode su existencia.

Con datos empricos y diversas experiencias se ha desarrollado unatcnica numrica que puede indicar una futura falla. El proposito de esta tcnicaes proveer una evaluacin consistente para los niveles de corriente de fuga.

El procediminento es rigurosamente matemtico, pero puede seraplicado en la prctica (en campo). Esta tcnica es analizada y se propone unnuevo procedimiento de anlisis para determinar el estado del aislamiento. E stemtodo se explicar en el punto 4.5.

4 . 2 PRUEBAS T I P I CAS DE CAMPOVarias pruebas de campo son realizadas para determinar el

desempeo del cable. Los ms comunes son, el volts-ohmmetro, el megger y elHi-Pot.


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La prueba de volts-ohmmetro es muy comn, econmica y segura,y fcil de realizar. Y aunque sirve para algunas aplicaciones, no funciona paraevaluar la calidad del cable. Este instrumento usa 9 Volts para energizar elcable. Esta prueba es realizada slo como una indicacin inicial de la condicindel cable mientras esta todava instalado. Lo ms rescatable de esta prueba eses que la lectura indica si el cable o algn componente del sistema elctricoesta mal conectado.

El megger es un instrumento porttil y moderadamente caro, queprovee informacin limitada acerca de la calidad del cable. El instrumentousualmente suministra 5 kV. Esta prueba puede ayudar a determinar el nivel dedesempeo bsico del cable, como saber si esta bien aterrizado el cable atravs de una terminal.

Y la prueba de Hi-Pot que ya se mencion con anterioridad, estosaparatos pueden suministar desde 1 kV hasta 200 kV o ms, es utilizado paracausar una falla en el punto ms dbil del aislamiento.

4 . 3 COMPONENTES DE LA CORRI ENTE DE FUGA.La corriente de fuga esta compuesta de la corriente capacitiva, la

corriente de absorbcin y la corriente de conduccin.La corriente capacitiva es la corriente que carga al capacitor formado

entre el dielctrico que existe entre el conductor y la tierra. Esta componente decorriente empieza extremadamente alta y decrece exponencalmente. Si elvoltaje aplicado permanece estable, el valor caer a cero dentro de pocossegundos despues que la prueba comience.


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La corriente de absorbcn es el resultado de la carga absorbida en eldielctrico como resultado de la polarizacin del aislamiento. Esta componentede corriente empienza alta pero decrece un poco ms lenta. La corriente seestabiliza comnmente despues de 5 minutos, pero un dato aceptable estadisponible despues de 2 minutos.

La corriente de conduccin es la componente de fuga con valor msestable. Esta es la corriente que viaja sobre, abajo, alrededor y a travs delaislamiento. Una descarga parcial o efecto corona proviene de una fuente dealto voltaje y contribuye a la componente de conduccin. Un valor bajo establede corriente de conduccin es comunmente aceptado como indicativo de unbuen aislamiento y por consecuecia de una buena preparacin de cable einstalacin de terminal y/o empalme.

El tiempo requerido para que la corriente de fuga alcance a estabilizarsedepende de la temperatura del aislamiento y del material. Si la tensin semantiene constante y la corriente empieza a incrementarse, es indicativo de queel aislamiento empieza a ceder en algn punto donde tenga un dao.Probablemente este proceso continuar hasta que el cable falle, a menos quese reduzca rpido la tensin. Si en cualquier momento durante la prueba, ocurreun incremento violento de la corrinte, haciendo operar el interruptor del equipo,seguramente el cable fall por un arqueo en la terminal o por el efecto corona.

Sin embargo una mejor forma de evaluar la corriente de fuga esgraficandola vs los diferentes voltajes aplicados. Si la resistencia fuera ideal,esto no se veria afectado por el nivel de voltaje y la relacin podra ser lineal. Unincremento en la corriente de fuga indica que el aislamiento tiene un punto deruptura.

Para un cable viejo, deteriorado o hmedo la corriente incrementadramticamente para el mismo voltaje. Los valores de corriente de fuga son


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influenciados principalmente por el tipo de material y condiciones de medioambiente.

4 . 4 CONDUCTANCI ALa industria ha hecho lo posible para determinar un mtodo que pueda

ser usado para juzgar la calidad de cualquier aislamiento. Anlisis bsicosrevelan que es intil tratar de definir desempeos para todos los cables usandoun simple nmero porcada metro. Deben ser considerados la longitud, dimetrodel conductor, tipo de aislamiento, construccin geomtrica y voltaje. Cualquiervalor empleado para determinar la calidad de un aislamiento nuevo o usadodeben ser consideradas las propiedades del aislamiento "K".

La resistividad del aislamiento para una particular geometra delconductor requiere considerar el dimetro total "D " y el dimetro interior "cT Laconstante tpica de resistividad ha sido determinada para aislamientos elctricosde alta calidad. Estos han sido basados en aos de experiencia en altos nivelesde voltaje. Por ejemplo, la resistividad de un aislamiento E P DM para niveles deservicio hasta 138,000 volts de ac es 6.56 x 10 para un aislamiento nuevo.

Con la resistencia del EP DM la corriente de conductividad es de 0.05uA/kV-K ft. Debe aplicarse un factor de correccin para la constante cuando elmaterial (del aislamiento) ha sido expuesto al medio ambiente (intemperie).

Algunas condiciones influyen en la corriente de fuga y aislamiento dela resistencia, tales como temperatura, humedad etc. Para aislamientos nuevosen los cuales la calidad es alta, los valores mas bajos en sistemas usadospodran representar un excelente aislamiento para la aplicacin.


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4 .5 A L G O R I T M O P A R A P R O N O S T I C A R L A F A L L AD E A I S L A M I E N T O

(METODO DESCRI TO POR DURHAM)El mtodo Durham que se describe a continuacin fue diseado para

pronosticar la falla de un aislamiento a partir de los datos de la prueba de Hi-Pot, evaluando la conductividad del aislamiento como la razn de cambio de unpunto.

Cualquier valor empleado para determinar la calidad de un cable nuevo ousado debe basarse en la resistividad del aislamiento, que es la constantecaracterstica del tipo de material. El nuevo valor ser considerado el puntoinicial. El Voltaje y longitud deben ser considerados.

1.- La resistividad es el reciproco de la conductividad, Para obtener laconductancia "G" permisible multiplicamos por la longitud del conductor. Este esel valor para la corriente de fuga por voltaje. Se multiplica para obtenerMicroamperes por kV.

G = 1000P

G = 1000 -Kiog(D/d)

2.- Considerando un comportamiento lineal entre el voltaje aplicadodurante la prueba y la corriente de fuga, la conductancia se puede representarcomo una lnea recta de pendiente G, es decir,

i = GV


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Este valor de conductancia tambin se puede determinar de los valoresvoltaje-corriente que se obtiene de la prueba de Hi-Pot. Segn se indica en laFig 4.1

Vx Vi

Fig. 4.1 Clculo de la conductancia a partir de los valores de voltaje ycorriente de la prueba Hi-Pot

De acuerdo a la Fig. 4.1G = m_d(j) = ( / 2 - i l )

d(v) (v2 vi)

En este caso, la pendiente indica la razn de cambio de la conductanciaen distintos instantes de la prueba.

De la Fig. 4.1 si la pendiente m estimada de esta forma es menor quela conductancia calculada G, el aislamiento esta en perfectas condiciones; encaso contrario, el aislamiento podr fallar durante su operacin.Esto se resume en la Tabla 4.1.


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m < G Buen estadom > G FallarTabla 4.1 Estado del aislamiento

Como la prueba de Hi-Pot arroja ms de dos puntos voltaje corriente,el valor de m debe re-estimarse para cada nuevo pareja de puntos

3.- El criterio expuesto en la Tabla 4.1 solo indica que el aislamientofallar, pero no hay informacin adicional al respecto. Analizando elcomportamiento de la corriente despus de un incremento de voltaje, estepuede ser descrito en la forma siguiente:

i = F(l-e3V)

donde F y a son constantes que dependen del aislamiento. Como cadapendiente se calcula con un par de puntos, se tendr:

i1=Fd-eT)

i2=F{ l-S)

Dividiendo ambas expresiones y tomando la derivada con respecto alparmetro a, se tiene

= 1 - eavi2 1 - e""2


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hv2e"Vl = - W " '

V Vl =

V2*l _

Aplicando logaritmo natural

Vl*2

invth

a = V2Vv , - v 2

a = tnv1 + tni^ - lnvx - ni2

Una vez calculado el valor de a, se puede estimar F como:

F = i l-e


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Donde ( ) representan el punto actual. Es claro que ambos parmetros,a y F, deben recalcularse para cada nuevo punto.

4.- De acuerdo al criterio de la tabla 4.1, si el aislamiento puede fallar,debe existir un punto de interseccin entre ambas caractersticas G y m , dondelas corrientes tienen que ser iguales. Por tanto, a partir de las siguientesexpresiones,

, / = GV

i = F(1 - eav)

estas se igualan, y deriva en ambos lados de la expresin,GV = F{ l - O

Aplicando el logaritmo natural y despejando se tiene

v = ( - ) l n ( - f )a aF

Este es el voltaje estimado al cual puede fallar el aislamiento del cable,segn se aprecia en la Fig. 4.2


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mA

Vp VE kV

Fig. 4.2 Voltaje de falla estimado del aislamiento.Donde, Vp es el voltaje de prueba y VE es el voltaje estimado

5. Una vez calculado el voltaje de falla del aislamiento se propone unfactor de calidad del aislamiento, definido como:

cq = ^(100)Vp

S i cq = 1 significa que el aislamiento puede fallar para un voltaje igual alvalor mximo de la prueba de Hi-Pot. Esto no significa que falle durante laprueba, pero puede llegar a fallar en el corto tiempo despus de entrar enoperacin.

En forma heurstica, se propone cq > 40% para considerar que elaislamiento est en buen estado.

Como este factor se calcula en cada etapa de la prueba, cualquiercambio en el voltaje de falla estimado o en el factor cq ser indicativo de undeterioro en el aislamiento. 1 4 9 1 9 8


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En la Fig. 4.3 se resume la aplicacin del algoritmo, donde la condicincq1 cq2 cq3 representa que el aislamiento est en buen estado; en estecaso todos los factores cq son mayores al 100 %.

V , V f l V 2 V e V 3 Vn kV

Fig. 4.3. Determinacin del estado del aislamiento utilizando el factor cq ,donde cq i > 100%


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4.6 MTODO ALTERNO (S IMFIT)

Considerando las problemas de implementacin antes descritos, seconsidero un segundo mtodo para el ajuste de la funcin exponencial;i = . F ( l- eav), donde ademas de realizar una comparacin de resultados contrael mtodo anterior, se elimin la dependencia de los signos de las constantes

1 G"F y "a" en la ecuacin v = ()ln( )a aFSIMFIT es un paquete para simulacin, anlisis estadstico, ajuste de

curvas y representaciones grficas basadas en modelos suministrados en unabiblioteca o definidos por el usuario en un archivo ASCII. Se puede usar paraensear los principios del ajuste de curvas, simulaciones y anlisis estadsticosa estudiantes, pero SIMFIT se adapta mejor a las necesidades de personasinteresadas en el anlisis de datos y en la creacin de grficas de calidadprofesional.

Una de las caractersticas de este programa, es que en un formatoamigable que ajusta tanto ecuaciones lineales (lnea recta, polinomios) como nolineales (exponenciales, Michaelis-Menten, cocientes de polinomios...).

Es este caso en particular el ajuste de la curva exponencial se harmediante el mtodo de regresin no lineal.

4.6.1 A JU STE A FUNCIONES EXPONENCIAL ESEl uso de monoexponenciales, biexponenciales...etc, es muy frecuente

en la interpretacin de muchos fenmenos cinticos (reacciones de orden 1,reacciones consecutivas, farmacocintica compartimental). El mtodo propuestocontempla la posibilidad de ajustar diferentes tipos de exponenciales, tantodecrecientes como crecientes y siempre con la opcin de ajustar una suma de


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exponenciales hasta el grado deseado. Estos ajustes se realizan siempre porregresin no lineal a la funcin directa y nunca por regresin lineal a susposibles transformaciones lineales (por ej. la Idealizacin logartmica de unamonoexponencial). La razn es conocida, se basa en que al hacer unatransformacin lineal cambian los pesos estadsticos a considerar con lavariable dependiente, precaucin que no suele ser tenida en cuenta y que,adems, no es necesaria cuando se ajusta la funcin directa por regresin nolineal. En la Figura 4.4 se muestra el ajuste consecutivo de 1 y 2 exponencialesa unos datos y, como inserto, a efectos ilustrativos tradicionales, se incluye larepresentacin semilogartmica. En este caso, la estadstica asociada concluyeque el ajuste a que el ajuste de exponenciales de 2 exponenciales es mejor queel de 1 exponencial.

Ajuste de 1 y 2 exponencia les2.00

o.ooo.oo 1.00t i e m p o ( d i a s )

F ig. 4.4 Ajuste consecutivo de 1 y 2 exponenciales


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4.6.2 IMPLEMENTACIN MTODO ALTERNOEn este mtodo se considero de igual forma que el mtodo Durham,

considerando como base la interseccin del la corriente contra la conductancia.Como podremos observar en la Fig. 4.5 mencionaremos 3 claros ejemplos decomo podramos validar la calidad de la terminal y aislamiento de un cable.1) Si la corriente intersecta antes del valor de voltaje de prueba, entonces la fallade la terminal y/o cable sera inminente. Como lo muestra la corriente j.2) S i la interseccin es por encima del voltaje de operacin, entonces laterminales esta en buenas condiciones, ms sin embargo Durham considera almenos un 40% sobre el voltaje de prueba. Como lo muestra la corriente i2.3) S i la tendencia es que la corriente no intersecte con la conductancia,entonces en definitiva la terminal y/o aislamiento del cable estn en ptimascondiciones para operar y tener una duracin de al menos 25 30 aosaproximadamente. Como lo muestra la corriente i3.


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Vo Vp V

Fig 4.5 Grafica corriente-conductancia, que determina la calidad de laterminal y/o aislamiento del cable

Donde, Vo es el voltaje de operacin, Vp es el voltaje de prueba.


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5 V A L I DA CI N DE RE S ULT A DOS

5.1 INTRODUCCIN

Como parte complementaria, se presentan una serie de pruebas realesde Hi-Pot efectuadas en campo para la validacin de dichos mtodos. Parte delas pruebas fueron tomdas de manera directa de los reportes existentes de laindustria y otras fueron efectuadas para la evaluacin del mtodo Durham.

El programa se prob con al menos 4 diferentes pruebas de campo, acontinuacin veremos los resultados de cada caso en particular, de una formasimplificada.

Para ambos mtodos (Durham y Alterno), se evalu la corrientei = F( 1-eav ) contra la conductancia, considerando los diferentes valores deconstante arrojados por cada uno de los mtodos. Para el mtodo Durham seconsidero la ultima pareja de valores (/ y V).


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5.2 Caso No. 1 P lan ta generadora de energ a

Este es un cable de energa de calibre 3/0 AWG, con un voltaje deoperacin nominal de 15 kV aislamiento al 100%. El material del aislamiento esXLP y su longitud es 18 metros aproximadamente. La NOM recomienda que elvoltaje de prueba para un cable de 15kV de operacin, sea de 55 kV, ms sinembargo, este contratista toma otras consideraciones para definir el voltaje deprueba, ya que es una planta para CF E . Los valores de corriente de fuga semuestran en la tabla 5.1

KV mi ero A0 06 0.212 2.718 1424 2730 4036 6036 6036 6036 6036 60

Tabla 5.1 Valores de corriente, caso 1

Para los ingenieros del departamento que calidad que supervisa laspruebas, el resultado fue dudoso ya que la corriente de fuga aunque seestabiliz, el valor fue alto considerando que ya tenan referencias en esamisma planta, con cables de la mismo tipo (en cuanto a voltaje y longitud)


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Y aunque se pens en cortar la terminal para volver a instalar otra, se tomo elriesgo de dejarla instalada, considerando que la corriente de fuga se estabiliz yse mantuvo constante durante los ltimos 5 minutos a 60 microamperes. Losresultados se muestran en la tabla 5.2

Alterno DurhamKV C orriente G kV C orriente G0 0 0 0 0 06 1.28 0.08 6 4.87 0.0812 3.32 0.16 12 10.97 0.1618 6.12 0.24 18 18.58 0.2424 9.69 0.32 24 28.10 0.3230 14.02 0.40 30 40.00 0.4036 19.11 0.48 36 54.87 0.48

Tabla 5.2 Resultados y evaluacin por los mtodos Durham y Alterno

Alterno

0 10 20 30 40


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Grafica 5.2 corriente vs conductancia mtodo Durham

En conclusin, como se puede observar en ambas grficas tanto en elmodelo Durham como en el propuesto, la trayectoria de la coriente de fuga estasiempre por encima de la trayectoria de la conductancia, y su cruce fue desdecasi cero, por lo que el cable seguramente fallar en un corto o mediano plazo.

5 .3 Caso No 2 P lan t a de re fi nac i n (pe t r leo )Tenemos 2 cables de energa de calibre 500 MCM, con un voltaje de

operacin nominal de 5 kV, aislamiento al 133%, el material del aislamiento esXLP y su longitud es 1000 metros aproximadamente. La NOM recomineda queel voltaje de prueba para un cable de 5kV de operacin con el 133% deaislamiento, es de 36 kV, sin embargo de igual forma que el caso anterior setomaron otras consideraciones para definir el voltaje de prueba, incluso eltiempo de prueba no fue de 5 minutos, sino de 15 minutos.


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Fase 1 Fase 2KV micro A MicroA0 0 0

2.5 0 05 0.1 0

7.5 0.3 0.210 0.7 0.4

12.5 1.3 0.815 2.3 1

17.5 3 1.220 4 1.522.5 4.7 225 4 3

Tabla 5.3 Valores de corriente, caso 2

El resultado de estas pruebas, segn los ingenierios del rea demantenimiento de esta industria pblica son satisfactorios; considerndo quetiene una gran experiencia en este tipo de pruebas debido a que ellos mismo lasrealizan y no las subcontratan. Y que adems este tipo de instalaciones soncomunes y la mayora con el mismo calibre y voltaje de operacin, por lo quetiene un gran historial de pruebas y pueden tener un comparativo entre ellas.


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A continuacin se mueestran en la Tabla 5.4 los resultados y evaluacinde los mtodos Durham y Alterno, para Fase 1.

Alterno DurhamKV Corriente G Kv C orriente G0 0 0 0 0 0

2.5 -0.20 4.10 2.5 1.21 4.105 -0.06 8.20 5 2.14 8.20

7.5 0.33 12.31 7.5 2.85 12.31. 10 0.87 16.41 10 3.39 16.41

12.5 1.53 20.51 12.5 3.81 20.5115 2.24 24.61 15 4.13 24.61

17.5 2.97 28.71 17.5 4.37 28.7120 3.70 32.82 20 4.56 32.82

22.5 4.42 36.92 22.5 4.70 36.9225 5.11 41.02 25 4.81 41.02

Tabla 5.4 Resultados y evaluacin por los mtodos Durham yAlterno, para Fase 1


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Alterno

0 5 10 15 20 25 30

Grafica 5.4 corriente vs conductancia mtodo AlternoEn conclusin, como se puede observar en ambas grficas tanto en el

modelo Durham como en el propuesto, la trayectoria de la corriente de fuga estasiempre por debajo de la trayectoria de la conductancia, y en este caso no hayinterseccin entre ambas lineas, por lo tanto este nos garantiza que un buendesempeo elctrico tanto en el cable como en la terminal.


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Alterno DurhamKV Corriente G kV C orriente G0 0 0 0 0 02.5 0.05 4.10 2.5 0.05 4.105 0.17 8.20 5 0.12 8.20

7.5 0.34 12.31 7.5 0.21 12.3110 0.57 16.41 10 0.33 16.41

12.5 0.87 20.51 12.5 0.50 20.5115 1.23 24.61 15 0.73 24.61

17.5 1.64 28.71 17.5 1.03 28.7120 2.12 32.82 20 1.44 32.8222.5 2.65 36.92 22.5 2.00 36.9225 3.24 41.02 25 2.75 41.02

Tabla 5.5 Resultados y evaluacin por los mtodos DurhamAlterno, para Fase 2

Alterno

CorrienteG


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Durham

O 5 10 15 20 25 30

Grafica 5.6 corriente vs conductancia mtodo DurhamEn conclusin, de forma similar a la fase 1 de este mismo caso, se puede

observar en ambas grficas tanto en el modelo Durham como en el Propuesto,que la trayectoria de la corriente de fuga esta siempre por debajo de latrayectoria de la conductancia, y en este caso no hay interseccin entre ambaslneas, por lo tanto este nos garantiza que un buen desempeo elctrico tantoen el cable como en la terminal.

5 .4 Caso No 3, Te rm ina l co n cab le da adoEn este caso, se realiz una instalacin con un cable mal preparado

intenconalmente, con la finalidad de ver el desarrollo de ambos mtodosEste cable de energa de calibre 1/0 AWG, con un voltaje de operacin

nominal de 15 kV, aislamiento al 100%, el material del aislamiento es XLP y sulongitud es de 4 metros aproximadamente. La NOM recomienda que el voltaje


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de prueba para un cable de 15kV de operacin con el 100% de aislamiento, seade 55 kV.

Alterno Durhamkv Corriente G kV C orriente G0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

11.00 13.97 0.04 11.00 0.81 0.0422.00 31.10 0.07 22.00 2.22 0.0733.00 51.38 0.11 33.00 4.72 0.1144.00 74.80 0.14 44.00 9.10 0.1455.00 101.37 0.18 55.00 16.81 0.18

Tabla 5.6 Resultados y evaluacin por los mtodos Durham y Alterno

Durham

0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00

Grafica 5.7 corriente vs conductancia mtodo Durham


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Propuesto

CorrienteG

Grafica 5.8 corriente vs conductancia mtodo Propuesto

En conclusin, se puede observar en ambas grficas tanto en el modeloDurham como en el Alterno, la trayectoria de la corriente de fuga esta siemprepor encima de la trayectoria de la conductancia, y en este caso la interseccinentre ambas lneas es en un valor casi cero, por lo tanto no cabe la menor dudaque la terminal fallar en un corto plazo. Cabe mencionar que este es unejemplo muy claro de lo que pasa actualmnente con las interpretaciones depruebas de Hi-Pot, ya que como lo mencionamos en el captulo 3, todoingeniero en campo se basa en observar que la corriente de fuga se estabilize,y en este caso en particular el cable fue dado severamente, y con todo y esola corriente se estabiliz en 24 miliamperes, con un voltaje de 55 V.


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5 .5 C O N C L U S I O N E S D E L A V A L ID A C I ND E R E S U L T A D O S

El mtodo Durham se prob con distintos casos prcticos, de los cualesse tiene disponible los datos de la prueba de Hi-Pot. Los casos incluyeroncables en buen estado, y cables que tenan problemas. Los casos incluyen unaprueba fsica, donde intencionalmente se dao el aislamiento durante elmontaje. En todos los casos, los resultados obtenidos son similares a losobtenidos por Durham.

Como ya lo mencionamos en el captulo 4, se utiliz un software(SIMFIT), que nos ayudo en confirmar las tendencias de la corriente, que alcomparar el resultado contra el mtodo Durham confirma que las ecuacionespropuestas para definir las constantes "F' y "a" son un base solida terica,debido a que con los diferentes mtodos las corrientes son muy parecidas.


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6 CONCLUS I ONE S

6.1 INTRODUCCION

Las principales conclusiones del presente trabajo de tesis son lassiguientes:

La tendencia en las redes de distribucin, incluyendo los sistemaselctricos industriales son hacia la utilizacin de sistemas subterrneos. Estoincrementar el nmero de interconexiones con los sistemas de distribucinareos a travs de terminales y empalmes.

La apropiada instalacin de las terminales y empalmes permite aumentarla confiabilidad de las instalaciones, considerando los lmites de operacin porsobrevoltajes originados por distintas razones, como descargas atmosfricas,maniobras de cierre y apertura de interruptores y cuchillas, y ferroresonanciaentre otras.

El problema principal asociado a la instalacin de terminales y empalmeses la presencia de corrientes de fuga a travs del aislamiento del cable. Altosvalores de corrientes de fuga, significan que el aislamiento del cable esta


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degradado, lo cual puede ocurrir por diversas razones, como son el dao fsicodurante la instalacin de la terminal (o empalme), humedad, o aire atrapado.Esto prueba provocar la falla de la terminal en forma prematura; en este sentido,se considera que el tiempo de vida til del cable debe ser de 25 30 aosaprximadamente.

Una alternativa para evaluar la integridad del aislamiento despus delmontaje de una terminal es a travs de una prueba de Hi-Pot, que consiste enaplicar un alto voltaje de cd entre la terminal y el aislamiento y medir la corrientede fuga resultante. La prueba se hace en etapas hasta un valor mximo devoltaje que depende del voltaje de operacin nominal del cable, obtenindoseuna grfica del comportamiento de la corriente de fuga.

Tradicionalmente, el criterio utilizado para determinar el estado delaislamiento despus del montaje se basa en la estabilizacin de la corriente defuga hacia la parte final de la prueba de Hi-Pot, de tal forma que conindependencia del valor final de la corriente de fuga, si esta se estabiliza en unvalor final, se considera que la instalacin fue correcta, y se acepta para suoperacin. En caso contrario, si la corriente presenta una tendencia a aumentarpara valores de voltaje mayores, se considera que hubo problemas en lainstalacin, y el montaje no se acepta.

La prctica ha demostrado que este criterio no es vlido, ya que si elvalor al cual se estabiliza la corriente es muy alto, significa que la terminalpuede falla en el corto o mediano plazo. Esto hace necesario la definicin de unmtodo ms formal que permita determinar en forma ms apropiada el estadodel aislamiento.

El mtodo de Durham utiliza la informacin de voltaje y corriente obtenidaen la prueba de Hi-Pot para estimar un voltaje de ruptura, que representa elvoltaje al cual puede fallar el cable; este voltaje es estimado como la


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interseccin de una funcin exponencial, que modela el comportamiento de lacorriente de fuga, y la conductancia del cable, que se determina a travs de losparmetros fsicos del cable y la terminal. En este caso, Durham considera quela instalacin de la terminal es correcta cuando la relacin del voltaje de rupturaestimado y el voltaje mximo de la prueba es mayor al 40%.

El mtodo propuesto por Durham es apropiado, pero tiene problemascuando se ajustan los trminos de la funcin exponencial que representa lacqrriente de fuga, ya que se obtienen voltaje de ruptura negativos. Este es unproblema numrico, que se presenta en cables de longitud muy corta y cuandoel comportamiento de la corriente de fuga no es lo suficientemente similar a unafuncin exponencial.

A fin de establecer un mtodo ms robusto, se propone un nuevo mtodoque aproxima el comportamiento de la corriente de fuga con una funcin dobleexponencial; a diferencia del mtodo de Durham, donde los coeficientes de lafuncin se estiman a partir de una ecuacin algebraica, el mtodo propuestoutiliza tcnicas de regresin no-lineal, como apoyo del programa de simulacinSIMFIT.

El procedimiento consiste en aproximar el contorno de la corriente defuga reportada por la prueba de Hi-Pot a travs de una funcin dobleexponencial, a partir de los valores de voltaje y corriente obtenidos en la prueba.En este caso se estima un voltaje de ruptura, que es la interseccin de lafuncin doble exponencial y la lnea de conductancia del cable; este proceso essimilar al del mtodo de Durham.

Los criterios establecidos a partir del voltaje estimado son simples, yaque mientras mayor sea el voltaje estimado, significa que el cable y la terminalsoportarn condiciones extremas sin daarse. El mtodo no permite definir en


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forma precisa el estado del aislamiento, sin embargo, indirectamente se puedeprever su lmite operativo por sobrevoltajes.

6 . 2 A P O R T A C I O N E SLas principales aportaciones derivadas de este trabajo de tesis son las

siguientes:Se realiz una revisin profunda de la aplicacin de la prueba de Hi-Pot

para estimar el estado del aislamiento de un cable despus del montaje de unaterminal o empalme. Se determinaron los criterios utilizados, as como losproblemas que presentan en la aplicacin prctica.

Se propone un mtodo alternativo, ms simple y robusto para determinarel voltaje de ruptura del cable, como una medida indirecta del estado delaislamiento despus del montaje.6 .3 R E C O M E N D A C I O N E S PA R A T R A B A J O S F U T U R O S

El desarrollo de este trabajo de investigacin se enfoc al desarrollo deun mtodo que permita establecer en forma sencilla y confiable el estado delaislamiento de un cable de potencia despus del montaje de una terminal oempalme; a continuacin se enumeran las principales recomendaciones paratrabajos futuros en esta rea de conocimiento:

Realizar un mayor nmero de pruebas para caracterizar elcomportamiento de la corriente de fuga para problemas particulares, como sonla presencia de humedad, aire, o una mala instalacin.


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Automatizar el mtodo, e incorporarlo como parte de los equipos deprueba de Hi-Pot.

Considerar las caractersticas fsicas del aislamiento como parte delproceso de estimacin del voltaje de ruptura; de esta forma se tendran encuenta los defectos de fabricacin del cable, o las impurezas presentes debidoal proceso de fabricacin.


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B I B L I OGRA F I A

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