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Cable Testing
TECNICA DE LA ALTA TENSION
CAPITULO 1 - INSTALACIONES DE CORRIENTE ALTERNA DE ALTA TENSION
Sistema eléctrico
- Sistema eléctrico: es el conjunto de máquinas, de aparatos, de barras y de líneas que constituyen un circuito que tiene determinada tensión nominal.
- Tensión nominal de un sistema: es el valor de la tensión con la cual el sistema es denominado, y al cual se refieren sus características, de acuerdo con lo que indican las normas sobre tensiones nominales.
En los sistemas trifásicos se considera como tensión nominal la compuesta o de línea figura 1.
- Tensión máxima de un sistema: es la tensión mas elevada (expresada en valor eficaz para los sistemas en corriente alterna) que puede presentarse en cualquier momento y en cualquier punto del sistema en condiciones regulares de servicio figura 1.
No se tienen en cuenta las variaciones temporáneas de la tensión (Sobretensiones, subtensiones) debidas a fallas, o a desconexiones bruscas de la carga, etc.
Ejemplo: Para los sistemas de 132 kV corresponde una tensión máxima de 145 kV.
Clasificación
Los sistemas eléctricos pueden clasificarse por su nivel de tensión y en la jerga se utiliza la siguiente división figura 3:
- Baja tensión, sistemas de hasta 1.000 V.
- Media tensión, sistemas hasta 36 kV, algunos consideran valores más altos (72,5 kV) el límite está en la diferente tecnología entre esta clase y la superior.
- Alta tensión, sistemas hasta 245 300 kV.
- Muy alta tensión, por encima de los 300 362 kV.
Los límites de la clasificación no son estrictos, dependen de criterios y de normas.
Instalación eléctrica
- Instalación eléctrica: es un conjunto orgánico de construcciones y de instalaciones destinadas a alguna de las siguientes funciones: producción, conversión, transformación, regulación, repartición, transporte, distribución, utilización de la energía eléctrica.
Clasificación
Una instalación eléctrica puede ser considerada interior o exterior.
Una instalación eléctrica, o una parte, se dice que es interior si está contenida en locales que la reparan de los agentes atmosféricos.
En los restantes casos se considera exterior.
Planta eléctrica
- Planta eléctrica: es el conjunto de locales y/o áreas encerradas en un único cerco, se trata de instalaciones eléctricas destinadas a producción, conversión, transformación, regulación, repartición de la energía eléctrica, etc.
Cuando una planta está incorporada a obras civiles, se entiende por planta eléctrica solo los locales que incluyen instalaciones eléctricas.
Clasificación de las instalaciones eléctricas por su función
La energía eléctrica se genera en centrales eléctricas y se consume en los centros de utilización (industrias, viviendas, servicios) que están relativamente alejados. Estos puntos están unidos por la red eléctrica cuya función es hacer que llegue a destino la energía.
Las distancias se cubren con líneas eléctricas que interconectan centros llamados estaciones eléctricas. Las funciones de líneas y estaciones eléctricas pasan por distintos niveles de importancia: transmisión, distribución.
- Centrales eléctricas destinadas a producir energía eléctrica.
- Estaciones eléctricas conectadas a sistemas en los cuales al menos uno debe considerarse de alta tensión.
- Cámaras, conectadas a sistemas de media tensión.
- Consumo, es una instalación eléctrica que incluye aparatos utilizadores con conexión fija, los correspondientes circuitos de alimentación, y también los circuitos fijos destinados a alimentar tomas.
Centrales de generación (hidráulicas, térmicas, turbogás)
Se entiende por instalación hidroeléctrica el conjunto de obras civiles, hidráulicas y eléctricas que permiten transformar en energía eléctrica la energía de gravedad del agua contenida en lagos o ríos dependiendo de un cierto desnivel o salto existente entre estos y la central de producción. La figura 4 muestra un corte de una turbina hidráulica.
En las instalaciones termoeléctricas se efectúa la transformación de energía disponible en forma de calor en energía mecánica. La fuente de calor está constituida generalmente por combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. La figura 5 muestra una vista de una central térmica.
Las centrales turbogás se utilizan en los casos en que se requiere una rápida intervención para la producción de energía de punta, o cuando el combustible (gas - recurso no renovable) tiene asignado un muy bajo valor, el rendimiento puede mejorarse recuperando parte del calor que tienen los gases de descarga como elemento comburente de calderas a vapor (ciclos combinados). La figura 6 muestra el principio de una turbina de gas.
En las centrales eléctricas los servicios auxiliares para el funcionamiento de cada grupo se pueden alimentar directamente de un transformador conectado a los bornes del generador, o también desde un transformador conectado a la red externa figura 7.
Estaciones eléctricas
Las estaciones eléctricas pueden tener las funciones de conversión, transformación, regulación, repartición de energía eléctrica.
Hay estaciones que tienen transformación, en tal caso se tienen dos o más sistemas de tensiones distintas.
Hay estaciones que tienen un solo sistema, de una sola tensión nominal, y su función es interconexión.
En rigor encontramos generalmente ambas funciones en una estación eléctrica figura 8.
El examen de una estación eléctrica muestra distintas partes, áreas y sectores.
Definiciones
- Sección de instalación, es una parte que incluye equipos o aparatos orgánicamente agrupados y conectados, caracterizados por una determinada tensión nominal, incluyendo sus estructuras portantes.
En el caso particular de las Estaciones Eléctricas la sección se denomina campo o vano (en ingles bay, algunos la llaman bahía).
- Tablero de control y comando, es el conjunto orgánico de dispositivos y aparatos (incluidas sus estructuras portantes) alimentados por sistemas de baja tensión destinados a medición, comando, señalización, control, y protección de las máquinas, aparatos, y circuitos de una planta eléctrica, estación eléctrica o de un consumo.
Ejemplo
Al observar una estación eléctrica encontramos los distintos campos: de línea, transformador, acoplamiento, medición, etc.
Los diferentes equipos de los campos o vanos se comandan desde el tablero figura 9.
Componentes de la estación eléctrica
Al observar la estación, fotos o planos, vemos torres, estructuras donde están amarradas las líneas, y conductores (barras) de la estación, llama generalmente la atención su tamaño, la vista siguiendo estas estructuras sube.
Encontramos conductores tensados entre aisladores, o sostenidos por ellos, debajo los equipos cuya cabeza se encuentra en tensión y están sostenidos por aisladores y soportes estructurales.
Los conductores se deben unir entre sí y a los equipos, mediante morseteria adecuada.
En el suelo de la estación observamos canales de cables, por los que corren los cables de comando, medición, protección que están sumergidos en un ambiente de elevada interferencia electromagnética (corrientes y tensiones elevadas son causa de los intensos campos magnéticos y eléctricos que inducen en los cables sus efectos).
En el subsuelo se encuentra tendida una red de tierra que tiende a mantener el suelo de la estación con características equipotenciales, para evitar peligros a las personas y controlar interferencias electromagnéticas.
Además se tienen obras civiles, fundaciones, drenajes, caminos. En la estación se encuentran además edificios, ya en el campo, kioscos, y fuera del campo, edificio de comando donde se concentra esa función, medición, protección, telecomando etc.
En la Estación Eléctrica encontramos distintas construcciones, instalaciones y equipos con funciones particulares y características definidas.
Ya hemos citado los distintos equipos de la estación, pero conviene tratar de hacer alguna clasificación, en principio por función:
- instalaciones y equipos de potencia o principales: interruptor, seccionadores, transformadores de medición, descargadores, trampa de onda, transformadores de potencia.
- instalaciones y equipos de control y auxiliares: comando, señalización, protecciones, servicios auxiliares, servicios esenciales.
Equipos principales
Los equipos directamente relacionados con las magnitudes eléctricas en juego en la Estación, son llamados equipos principales figura 10.
Las características eléctricas principales de la estación y de sus equipos están relacionadas con los niveles de tensión y cortocircuito.
Los equipos de potencia, son adquiridos y se instalan en la estación, pero no son en general construidos especialmente para la estación en cuestión, se construyen bajo normas que imponen las características de interés y fijan los ensayos que las comprueban.
Interruptor
El interruptor es un aparato de maniobra mecánico, capaz de establecer, conducir e interrumpir corrientes en condiciones normales del circuito; y también de establecer, conducir por un tiempo determinado, e interrumpir corrientes en determinadas condiciones anormales como las de cortocircuito figura 11.
Este es el aparato que ha sufrido mayores evoluciones y cambios en sus principios de funcionamiento, casi podríamos decir que es como si hubiese habido modas (aunque la realidad fuera consecuencia frecuentemente de dificultad tecnológica) citemos solo los medios de interrupción aire (comprimido), aceite, gas SF6, vacío.
Seccionador
El seccionador es un aparato mecánico de conexión que asegura, en posición abierta, una distancia de seccionamiento que satisface condiciones especificadas. Un seccionador es capaz de abrir y de cerrar un circuito cuando se establece o interrumpe una corriente de valor despreciable, o bien no se produce ningún cambio importante de la tensión entre los bornes de cada uno de los polos del seccionador.
Es también capaz de conducir corrientes en las condiciones normales del circuito, y de soportar corrientes por un tiempo especificado en condiciones anormales como las de cortocircuito figura 12a y figura 12b.
Se los clasifica por el plano en que se mueven las cuchillas, vertical, horizontal, por la distancia de seccionamiento, también vertical u horizontal, por el número de columnas de aisladores que tienen por polo, dos o tres columnas, por la posición relativa de los polos, diagonal, paralelos, en fila india.
Seccionador de puesta a tierra
El seccionador de puesta a tierra, tiene la función de conectar a tierra parte de un circuito.
El seccionador de tierra generalmente está asociado a un seccionador principal.
Normalmente este seccionador cortocircuita un aislador de soporte del seccionador principal al que se encuentra asociado.
Transformadores de medición
Los transformadores de medición están destinados a alimentar instrumentos de medida, indicadores, registradores, integradores, relés de protección, o aparatos análogos. Según la magnitud en juego se clasifican en Transformadores de Tensión y de Corriente.
Actualmente estas funciones se realizan con aparatos de tipo electromagnético, pero la tecnología ya ha comenzado a difundir trasductores cuya señal de salida es luminosa y se transmite a los aparatos de visualización mediante fibra óptica.
Transformador de tensión
Es un transformador en cuyo secundario, en condiciones normales de uso se tiene una tensión cuyo módulo es prácticamente proporcional a la tensión primaria, y que difiere en fase en un ángulo próximo a cero, para una adecuada conexión.
En alta tensión se encuentra conectado entre fase y tierra figura 13, sólo hasta 72.5 kV se encuentran construcciones para conexión entre fases (con dos aisladores).
Transformador de corriente
Los transformadores de corriente presentan una corriente secundaria cuyo módulo es prácticamente proporcional a la corriente primaria y que difiere en fase en un ángulo próximo a cero.
Los hay de distintas formas constructivas, para alta tensión con núcleo en la parte inferior, o con núcleo en la cabeza figura 14a y figura 14b, para media tensión del tipo pasabarra o pasacable, o bobinados.
Descargadores
El descargador es un aparato destinado a proteger el material eléctrico contra sobretensiones transitorias elevadas y a limitar la duración y frecuentemente la amplitud de la corriente subsiguiente.
Modernamente se han impuesto los descargadores de óxido de cinc figura 15.
Capacitor de acoplamiento
Tiene la función de acoplar los sistemas de telecomunicaciones en alta frecuencia a las líneas aéreas de alta tensión figura 16, que de esta manera actúan como soporte de comunicaciones.
Los transformadores de tensión capacitivos pueden cumplir las funciones de transformador de tensión y de capacitor de acoplamiento figura 17 para las altas frecuencias que sostienen la comunicación.
Bobina de bloqueo
La bobina de bloqueo, también llamada Trampa de Onda, es un dispositivo destinado a ser instalado en serie en una línea de alta tensión. Su impedancia debe ser despreciable a la frecuencia de la red, de manera de no perturbar la transmisión de Energía, pero debe ser selectivamente elevada en cualquier banda de frecuencia utilizable para la transmisión por onda portadora.
El equipo consiste en un inductor principal, un dispositivo de protección, descargador, y un dispositivo de sintonización figura 18.
Aisladores
Los aisladores son dispositivos que sirven para mantener un conductor fijo, separado y aislado de partes que en general no están bajo tensión (a tierra).
Los aisladores que sirven para que un conductor atraviese una pared se denominan pasamuros. Se los denomina pasatapas cuando atraviesan la cuba de un transformador o la celda metálica de una instalación blindada.
Podemos denominarlos genéricamente como aisladores pasantes.
La definición de éstos incluye los medios de fijación al tabique o pared a atravesar.
Transformadores de potencia
En las estaciones de transformación la parte más importante está ciertamente representada por los transformadores, tanto por la función que ellos desarrollan como por su costo respecto a las otras partes de la instalación.
Los transformadores pueden dividirse en dos grupos:
- máquinas con aislamiento seco
- máquinas con aislamiento en aceite
Los transformadores secos tienen la parte activa en contacto directo con un medio aislante gaseoso (generalmente aire) o con un medio aislante sólido (resinas, materias plásticas, etc.) la potencia y tensión de las maquinas de este tipo es todavía limitada.
Los transformadores en aceite tienen en cambio las partes activas inmersas en aceite mineral y para estas máquinas no existen prácticamente límites en la potencia y las tensiones. Se construyen máquinas de varios centenares de MVA y para tensiones superiores a los 500 kV. La figura 19 muestra distintos cortes de un transformador de 25 MVA, 130 kV ± 2´ 3.8 %, con refrigeración tipo ONAF (aceite natural, aire forzado), con conmutador no bajo carga.
Líneas de alta tensión - Transmisión
La función de las líneas eléctricas es transmitir energía entre dos puntos en forma técnica y económicamente conveniente, para lo cual se busca optimizar las siguientes características:
- resistencia eléctrica, ligada a las pérdidas
- resistencia mecánica, ligada a la seguridad
- costo limitado, ligado a la economía
Esencialmente la línea debe estar formada por conductores, como es necesario mantenerlos a distancia del suelo y entre sí, la construcción de soportes, torres es la solución para sostenerlos mediante aisladores.
En el diseño se trata de buscar soluciones que reduzcan el costo de las torres desde el punto de vista de primera instalación y también de reconstrucción después de eventos destructivos.
Los soportes pueden ser metálicos figura 20 o de hormigón figura 21, aptos para soportar una o dos ternas.
Las características de las líneas que son de mayor importancia son su longitud y su tensión. Los parámetros eléctricos de importancia para observar su comportamiento en la red son resistencia, reactancia inductiva y capacitancia derivación.
A veces las líneas tienen cables de guarda, estos apantallan los conductores, protegiéndolos de descargas atmosféricas directas (rayos), recientemente han comenzado a difundirse cables de guarda con fibra óptica que se utiliza como vector de transmisión de información entre las estaciones que une la línea.
Distribución
Se denomina distribución primaria la que se realiza en una tensión más elevada llegando a los primarios de los transformadores figura 22, y distribución secundaria la que se realiza desde el secundario.
Desde el centro de cargas a cada una de las cargas se puede llegar en forma radial, con un único cable; esta solución tiene el inconveniente que la eventual falla del cable deja sin suministro la carga.
Cables
Por cable eléctrico se entiende un conductor uniformemente aislado (o un conjunto de más conductores uniformemente aislados y reunidos) generalmente provistos con un revestimiento de protección. Se deben considerar bajo esta denominación distintos productos que van de los cables destinados a las redes de transmisión y de distribución a los cables de pequeñas dimensiones.
La figura 23 muestra un cable de aceite fluido de tipo unipolar para alta tensión.
Cabinas de transformación
Los centros donde se transforma energía de media a baja tensión reciben esta denominación, la asociación de equipos incluye tablero de media tensión, transformador y tablero de baja tensión.
En general son estaciones pequeñas de transformación con potencias nominales de hasta 630 kVA que encuentran aplicación en zonas residenciales, en edificios y en la industria.
La estación pequeña de transformación constituye una unidad cerrada, compuesta por un armario de alta tensión, el recinto del transformador y un armario de baja tensión, estos componentes están cubiertos por un techo común. Esta estación blindada y compacta, con adecuada clase de protección, se puede instalar a la intemperie o en interiores. La figura 24 muestra a la izquierda el armario de alta tensión y a la derecha del transformador el armario de baja tensión.
Tableros de distribución - Centros de potencia
Los aparatos de maniobra, de interrupción, de comando y de medición en tensiones medias y bajas, se encuentran reunidos y distribuidos en forma racional en tableros, con todas las conexiones de potencia (barras) y auxiliares (cableado) realizadas.
En el concepto moderno un tablero debe ser robusto, apto para soportar todas las solicitaciones mecánicas, térmicas y eléctricas que se presentan en el servicio; debe garantizar la ejecución de las operaciones de servicio y mantenimiento, debe ofrecer la máxima seguridad para la protección de las personas contra partes en tensión o en movimiento.
Además debe ser de construcción flexible, modular y normalizada, para permitir ampliaciones y/o modificaciones que pudieran ser requeridas durante su vida, la figura 25 muestra distintas soluciones.
Compensación
Las cargas en general son inductivas, si observamos una carga cualquiera en la red eléctrica podemos representarla por P + jQ, circuitalmente con una resistencia y una reactancia (inductiva) en paralelo.
La corriente que alimenta la carga es proporcional a la potencia aparente 
, ya hemos visto que las pérdidas de transmisión (en la línea que alimenta la carga) dependen del cuadrado de la corriente (y para dada tensión) del cuadrado de la potencia aparente.
Una forma de reducir las perdidas en la distribución es reducir A, y como la potencia activa P es la que exige la carga, la única posibilidad es reducir Q.
En paralelo con la inductancia de la carga, se pone un capacitor, en esta forma se cambia la potencia, y el factor de potencia que ve la red de distribución, que ahora será: P + j (Q - Qc) El distribuidor de energía empuja a los usuarios (a través de tarifa con multas y sobreprecios) a que compensen el factor de potencia (cosj) de sus cargas, en esta forma se reducen perdidas en la red, y se dispone de más capacidad de transporte, pudiendo postergarse inversiones que el crecimiento de la carga exige.
Esto se logra con capacitores que pueden ser pequeños, con cargas pequeñas, o grandes bancos con cargas mayores, que se ubican en puntos estratégicos de la red.
La presencia de capacitores en la red, exalta algunos fenómenos de armónicas, cuyo origen esta en las cargas cada vez mas controladas mediante electrónica de potencia, que son fuentes de corrientes armónicas, que se generan en las cargas y tienden a ir hacia los generadores, deformando la tensión, y perturbando a las otras cargas, en lo que se llama empeoramiento de la calidad de servicio.
Por ahora solo nos interesa saber de la presencia de capacitores en la red.
Utilización
Una gran parte de la energía eléctrica se utiliza en aparatos de baja tensión, lámparas, motores y otros artefactos con funciones dedicadas. Pero también en industrias y servicios encontramos motores (asincrónicos y sincrónicos) alimentados directamente por media tensión.
La maniobra de los motores se realiza mediante contactores aptos para hacer una gran cantidad de operaciones con mínimo desgaste.
Algunas aplicaciones se alimentan con rectificadores desde la media tensión, instalaciones de tracción eléctrica, laminadores, etc., también se alimentan desde media o alta tensión grandes hornos eléctricos de arco en corriente alterna y más modernos en corriente continua.
En base a su función las instalaciones eléctricas destinadas a la alimentación de los usuarios, pueden clasificarse en instalaciones industriales e instalaciones para edificios civiles. La división de las instalaciones no es rigurosa si se entiende por edificios civiles aquellos dedicados exclusivamente a viviendas.
La elección de la tensión de alimentación es función de la potencia absorbida por la instalación: los grandes complejos tienen interés de adquirir energía a bajo costo alimentándose de la distribución primaria, mientras que para los usuarios más modestos (más numerosos) es más conveniente adquirir en baja tensión.
Accionamientos eléctricos
Por accionamiento eléctrico se entiende cualquier conjunto (sistema) apto para transformar potencia eléctrica en potencia mecánica que, aplicada a la máquina accionada, permite a esta última efectuar el trabajo requerido.
El continuo progreso técnico y las crecientes exigencias de la producción han puesto en evidencia la necesidad de accionamientos de velocidad variable dotados de gran flexibilidad, facilidad de control y elevada seguridad de servicio.
Por esta razón la elección de un accionamiento eléctrico se debe hacer en función de algunos factores técnicos, económicos y funcionales entre los cuales tienen particular importancia las características de la red de alimentación (tensión, corriente, frecuencia, factor de potencia, facturación, etc.), las características de la parte accionada (característica mecánica, inercia de las masas rotantes, etc.) y el costo de adquisición y grado de obsolescencia de las máquinas.
En algunas industrias como minería, siderurgia, química y petroquímica, plantas de cemento etc., se utilizan motores asincrónicos trifásicos de jaula con un rango de tensiones que va desde 400 a 13800 V.
Hornos eléctricos de arco
La energía eléctrica también es muy utilizada para la producción de calor por medio del arco voltaico en los hornos de fundición de chatarra de hierro, de cobre o de otros metales, de difícil fusibilidad en hornos de reducción de óxidos metálicos (en estos últimos los electrodos penetran en la masa constituida por los óxidos metálicos a reducir).
La figura 26 muestra el esquema de principio de un horno eléctrico de arco alimentado en alta tensión.
Fundamento del uso de tensiones elevadas en la electrotecnia de potencia
Cuando se deben transmitir grandes potencias desde la generación hasta los centros de consumo, es necesario en la electrotecnia de potencia el uso de tensiones elevadas. En la figura 27 se muestra un esquema unipolar de una instalación de transmisión simple. Los elementos más importantes de alta tensión de una instalación son: generador (G), barras (SS), transformador (Tr) e interruptor (S) del lado de generación, la línea de transmisión y nuevamente un transformador, interruptor y barras del lado de consumo. La corriente se conduce a través de conductores metálicos. Por lo tanto se producen pérdidas, entre las cuales la pérdida por efecto Joule es la más importante.
La pérdida Joule, Pj en un sistema de transmisión trifásico, cuando la resistencia óhmica de una fase es igual a R, resulta 
Introduciendo la potencia a transmitir 
, en la expresión anterior, la pérdida Joule resulta: 
Esta expresión muestra que la pérdida Joule de una línea es proporcional al cuadrado de la potencia a ser transmitida P, y a la resistencia óhmica R de la línea, además, inversamente proporcional al cuadrado de la tensión U y al factor de potencia cos j.
Las pérdidas, por motivos económicos, no deben superar un determinado porcentaje de la potencia a ser transmitida. De esta expresión surge que la conclusión más eficaz es la elevación de la tensión a utilizar.
Con una elevación de la tensión, también, se eleva el costo de la instalación. Por eso es necesario, al proyectar una instalación de transmisión de potencia, considerar todas estos aspectos que inciden en el costo del sistema de transmisión.
La conclusión es que la tensión más económica de una línea es función de la distancia de transmisión y de la potencia, observándose una pequeña incidencia de la distancia y una gran influencia de la potencia en la determinación de la tensión más económica.
La pregunta es: ¿cuáles son los problemas que surgen al ingeniero, en la utilización de tensiones elevadas?
Ya hemos visto la gran variedad y complejidad de las instalaciones de alta tensión, hemos nombrado y descripto someramente gran cantidad de aparatos de distinto tipo y con distintas funciones a integrarse en el sistema eléctrico, no hay duda que los problemas son muchos, algunos los abordaremos en esta materia y otros quedarán para las materias futuras.
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