Optimización y Rendimiento de Cables Eléctricos: Pérdidas, Aislamiento y Diseño

Pérdidas de Energía en Cables Eléctricos: Tipos y Causas

Las pérdidas de energía en los cables aislados están ligadas a dos parámetros principales: la intensidad de corriente y la tensión.

Pérdidas Dependientes de la Intensidad (Pérdidas por Corriente)

Estas pérdidas, dependientes de la intensidad, aparecen en los elementos metálicos del cable y se clasifican en:

• Pérdidas en el Conductor (Efecto Joule)

  Son originadas por el efecto Joule.

• Pérdidas en las Pantallas por Corriente de Circulación

  Son debidas al efecto transformador. Al poner a tierra los extremos de las cubiertas metálicas, se genera una espira en cortocircuito, la cual es cortada por el campo magnético generado por el conductor recorrido por la corriente.

• Pérdidas por Corrientes de Foucault

  Se presentan en cables que poseen una cubierta metálica puesta a tierra únicamente en un punto, o en cables con dos o más conductores con una cubierta metálica común. En ambos casos, el factor λ1′ (lambda prima) es despreciable.

• Pérdidas en las Pantallas de Cables Bajo Tubo de Acero

  Ocurren cuando una capa de material magnético envuelve tres almas aisladas y apantalladas. Es crucial que los cables unipolares que operan en redes de corriente alterna nunca se protejan con armaduras de material ferromagnético, debido a las elevadas corrientes inducidas que se generarían en ellas.

• Pérdidas en las Armaduras

  Pueden considerarse de distinta manera según se trate de cables unipolares o tripolares, expresadas como una fracción λ2 (lambda dos) de las pérdidas en el conductor. Se distinguen:

  • Cable unipolar.
  • Cable tripolar.

Pérdidas Dependientes de la Tensión (Pérdidas Dieléctricas)

Estas pérdidas aparecen en el seno del aislamiento, únicamente en los cables recorridos por corriente alterna. Se generan cuando el material aislante es sometido a un campo eléctrico alterno.

Estrategias para Reducir el Efecto Corona en Líneas Eléctricas

Para reducir el efecto corona, es fundamental disminuir la intensidad del campo eléctrico en las proximidades del conductor, asegurando que este valor no supere la rigidez dieléctrica del aire. En líneas de Muy Alta Tensión (MAT) y Ultra Alta Tensión (UAT), este factor es determinante para la sección o, al menos, el diámetro exterior de los conductores. Esto se puede lograr mediante:

1. Aumentando la separación entre fases (lo que implica un aumento de la inductancia aparente de la línea y un encarecimiento de los apoyos).
2. Aumentando la sección y, por tanto, el radio de los conductores (lo que puede significar un exceso de material conductor no justificado desde el punto de vista económico).

Los recursos más empleados para la fabricación de conductores son:

1. Conductores de aluminio con alma de acero.
2. Conductores a base de aluminio aleado.
3. Conductores en haz (la más adecuada).
4. Otros conductores especiales.

Respecto a las dos primeras opciones, una forma lógica de aumentar el diámetro del conductor es sustituir el cobre por el aluminio.

El uso de conductores formando un haz permite una significativa disminución del campo eléctrico.

Beneficios de los Conductores Múltiples o en Haz en Líneas Eléctricas

Esta disposición de los conductores ofrece múltiples beneficios:

• Una disminución importante del efecto pelicular.
• Reducción del coeficiente de autoinducción aparente.
• Aumento de la capacidad de transporte de la línea, ya que al tener más conductores, se presenta una mayor superficie refrigerante en comparación con un único conductor de la misma sección total.
• Reducción de las intensidades de campo eléctrico o del gradiente de potencial, lo que resulta en una menor interferencia en las líneas de comunicación debido al efecto corona (dado que el radio equivalente r_e es mayor que el radio individual r).

Función y Tipos de Conexión a Tierra de las Pantallas en Cables Aislados

Función Principal

La misión principal de la conexión a tierra de las pantallas es:

• Eliminar o, en su defecto, reducir las corrientes de circulación por las pantallas, las cuales se generan debido a un acoplamiento inductivo con la corriente que fluye por los conductores, evitando así pérdidas de energía activa en los cables.
• Reducir, tanto en régimen permanente como durante un cortocircuito, las tensiones inducidas entre las pantallas y tierra. Las sobretensiones inducidas durante un cortocircuito, debido a su elevado valor, pueden provocar averías en los cables, fundamentalmente en los posibles empalmes y en las cajas de conexión utilizadas para la transposición de las pantallas, así como la perforación del aislamiento de la cubierta.

Tipos de Sistemas de Puesta a Tierra

• Sistema de Puesta a Tierra «Solid-Bonding» (Puesta a tierra en ambos extremos).
• Sistema de Puesta a Tierra «Single-Bonding»: «Single-Point» o «Mid-Point» (Puesta a tierra en un solo punto).
• Sistema de Puesta a Tierra «Cross-Bonding».

Efecto Corona en Líneas Eléctricas: Concepto y Manifestación

El efecto corona consiste en la ionización del aire que rodea a los conductores de alta tensión. Este fenómeno ocurre cuando el gradiente eléctrico en la superficie del conductor supera la rigidez dieléctrica del aire, manifestándose en forma de pequeñas descargas visibles a escasos centímetros de los cables.

Resistencia de Aislamiento en Cables: Definición y Unidades

La resistencia de aislamiento (R_i) es la oposición al paso de corriente entre conductores y tierra a través del material aislante, y se expresa en MΩ·km (Megaohmios por kilómetro).

La resistencia de aislamiento (R_i) de un cable de longitud ‘l’ se considera como la suma de la resistencia de cada una de las coronas elementales de radio medio ‘x’ y espesor ‘dx’. Se puede calcular mediante la siguiente ecuación:

Los valores del coeficiente K_i para el EPR (Etileno Propileno Caucho) o el XLPE (Polietileno Reticulado) deben ser cien veces mayores que los del PVC (Policloruro de Vinilo), lo que implica que deben presentar resistencias de aislamiento de 1000 MΩ·km o superiores.

La resistencia de aislamiento (R_i) es inversamente proporcional a la longitud del cable. Cuando la longitud es diferente de 1 km, el valor de la resistencia obtenida en el ensayo debe ajustarse a la longitud específica.

Transposición de Conductores en Líneas Eléctricas: Concepto y Aplicación

Para lograr que en una línea con disposición asimétrica de conductores se produzcan las mismas caídas de tensión (cdt) por fase, se recurre a la transposición de conductores.

Debido a su complejidad, las transposiciones se realizan principalmente en líneas de Muy Alta Tensión (MAT), como las de 220 kV y 400 kV. En el resto de las líneas con niveles de tensión inferiores, se admite un cierto desequilibrio entre las tensiones simples o de fase, ya que no compromete el buen funcionamiento de la línea.

Criterios Fundamentales para el Diseño y Cálculo de Líneas Eléctricas

• Criterio del Calentamiento:
  • Se debe considerar si el conductor es desnudo o aislado, si está al aire libre, enterrado o enterrado bajo tubo, entre otras condiciones. Es imprescindible consultar los reglamentos y normas UNE actualizadas que rigen estas especificaciones.
• Criterio de la Caída de Tensión (c.d.t.):
  • El Real Decreto 1955/2000, de 1 de diciembre, en su artículo 107, apartado 3, establece que la variación de tensión máxima permitida será del ±7% de la tensión nominal del sistema. Adicionalmente, las compañías suministradoras y el REBT (Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión) pueden establecer otros niveles de variación de tensión inferiores a este valor.
• Criterio del Comportamiento Frente a Corrientes de Cortocircuito:
  • Los conductores de una línea eléctrica deben cumplir la siguiente ecuación:
• Criterio del Coste de la Línea:
  • El coste económico de una línea es función de la sección del conductor empleado. Sin embargo, los criterios de cálculo son normativos y, por tanto, de obligado cumplimiento.
• Criterio Económico: Pérdidas de Energía en la Línea:
  • La anualidad total de gastos de una línea se calcula como:
  • Por lo tanto, la línea más rentable es aquella para la que se cumple:

Temperaturas Máximas Admisibles en Cables Eléctricos por Tipo de Aislamiento