Localización de averías en cables de energía (Parte 1ª)

1.- CABLES DE DISTRIBUCIÓN

INTRODUCCION

Aunque los cables son diseñados y fabricados cuidadosamente para que soporten ciertas características especiales (tensión, temperatura, humedad, flexibilidad), éstos una vez instalados quedan expuestos a muchos peligros que en muchas ocasiones son causantes de averías.

La mayor parte de las averías son producidas por contactos accidentales que suceden durante la excavación adyacente a la instalación. En algunos casos el cable es totalmente destruido y la avería es evidente, pero en otros casos el cable es parcialmente destruido o simplemente rasgado y puede transcurrir mucho tiempo hasta que la avería sea aparente. Este deterioro del aislamiento puede producirse por el ingreso de la humedad o por pérdidas del dieléctrico. Otras causas de avería son debidas a defectos en juntas y terminaciones causadas por un calentamiento, movimientos termomecánicos, rayos, corrosión, vibración e ionizaciones internas.

Las características y los métodos de localización de averías en sistemas de alta tensión presentan problemas diferentes a los de baja tensión por ello deben ser tratados por separado. Independientemente de la tensión aplicada, para que la localización del defecto sea eficiente, el tiempo y el coste deben mantenerse lo más bajos posible. La tabla 1 muestra los cuatro pasos o estados principales para localizar un defecto.

Tabla 1

CARACTERISTICAS DE LOS DEFECTOS

Los defectos pueden dividirse en defectos serie y shunt. Un defecto serle se produce cuando uno o más elementos metálicos de un cable (alma o pantalla), están deteriorados o rotos. Normalmente un defecto sede se hace aparente cuando se pierde la continuidad en un conductor por lo menos y causa un circuito abierto.

Un defecto shunt se produce cuando el aislamiento en un conductor o entre conductores está deteriorado. Un defecto shunt en un cable tipo manguera puede afectar a varios conductores, pero la mayoría de los defectos son entre fase y tierra. En cables unipolares apantallados todos los defectos tipo shunt son entre conductor y pantalla, es decir defectos contra tierra. También puede ocurrir una combinación de defectos serie y shunt a la vez. Defectos tipo shunt y serie pueden representarse por el circuito eléctrico equivalente de la figura 1.

Figura 1. Circuito equivalente de un defecto en un cable.

En la figura 1, Rf representa la resistencia de defecto, S/G un descargador y Cf la capacidad del defecto. Los valores de los elementos pueden variar para cada defecto y son completamente independientes el uno del otro. El voltaje de ruptura Vb del descargador S/G viene determinado por la separación de los dos extremos metálicos del defecto (electrodos), que pueden conectarse por la carbonización del aislamiento y convertirse en un defecto shunt o en un defecto serie. El valor de la resistencia del defecto está directamente relacionada con el grado de carbonización del dieléctrico y el valor de la capacidad varía con la cantidad de humedad presente.

Desde que aparecieron los nuevos métodos de localización de averías basados en los principios de propagación de ondas a través del cable, en lugar de los métodos anteriores basados en puentes, los defectos se dividen entre baja y alta resistencia. La división entre estos dos tipos de defectos es aquel valor de resistencia que equivale a diez veces la impedancia del cable bajo prueba-

La tabla 2 muestra y clasifica los tipos de defectos principales:

Tabla 2

La impedancia de un cable monofásico y apantallado puede determinarse por la ecuación 1. La impedancia de una fase en un cable manguera de tres tases, con las otras dos fases al aire, viene determinada por la ecuación 2. La impedancia de un cable triple extruido XLPE con pantalla semiconductora viene determinada por la ecuación 3.

Cable monofásico o cable apantallado:

Cable trifásico:

Cable extruido XLPE:

Donde

Dc = Diámetro del alma conductora.

Tc = Grosor del aislamiento del conductor.

Tb = Grosor del aislamiento externo.

Ti = Grosor de la pantalla interior.

To = Grosor de la pantalla exterior.

DIAGNOSTICO

Normalmente la primera indicación de que existe un defecto viene dado por las protecciones del sistema. Para confirmar la existencia de un defecto y medir su resistencia se precisa realizar una prueba de aislamiento utilizando para ello un medidor de aislamiento tipo Megger o un generador de alta tensión. Si la pruebe de aislamiento indica que el conductor está sano, deberá revisarse la continuidad del cable antes de energizar de nuevo éste.

La continuidad también puede detectarse usando un ecómetro para “mirar” desde el extremo del cable. Una ventaja del ecómetro es que no es necesario aplicar un puente en el otro externo, sin embargo es aconsejable confirmar que el reflejo viene del otro extremo del cable y no de un abierto. La principal ventaja de utilizar un ecómetro para comprobar la continuidad es que se refleja fácilmente en el extremo del conductor, por ejemplo en una junta rota.

PRECONDICIONAMIENTO

Dependiendo del tipo de equipo disponible para prelocalizar el defecto, puede ser necesario alterar las características del defecto, es decir, convertir un defecto de alta resistencia a baja resistencia, o un centelleo inestable a un defecto resistivo estable. Las características del defecto pueden variarse haciendo pasar una corriente a través del defecto con el objeto de carbonizar el aislamiento, esto se realiza energizando de nuevo el cable o mediante el abandono del cable defectuoso durante el tiempo suficiente para que penetre la humedad. De estas alternativas es evidente que la primera es la mejor y para ello existen equipos denominados quemadores de defectos.

Un quemador debe ser capaz de producir suficiente tensión como para Iniciar la rotura de un defecto de alta resistencia, pero también debe ser capaz de incrementar y disminuir paulatinamente la intensidad y la tensión a medida que la resistencia disminuya. En la figura 2 se muestran las respuestas de dos quemadores según su aplicación (T106 para cables de A.T. T121 para B.T. y telecomunicación). Mientras que un quemador da razonables resultados en aislamientos de papel. excepto para los defectos de arco o centelleo e intermitentes, los quemadores no tienen demasiada efectividad en cables secos de aislamientos poliméricos, particularmente el XLPE.

Un quemado de defectos indiscriminado puede posteriormente perjudicar al cable y perjudicar la localización precisa del defecto, que es el paso más importante, ya que se pretende encontrar el defecto con una sola excavación.

Por todo ello no es aconsejable el uso de quemadores y sí los equipos basados en nuevas técnicas.

Tabla 3

Figura 2: Quemador T121 (BiCCOTEST)

Tabla 4

Figura 3: Quemador T108 (BICCOTEST)

Prelocalización

La prelocalización consiste en obtener con la mayor precisión posible la distancia del defecto.

Durante muchos años el puente de Murray y otros métodos de puentes fueron los más utilizados. Sin embargo, actualmente han sido desplazados por otros basados en la propagación de ondas, aunque no podemos dejar de mencionar- los, ya que para cierto tipo de defecto tipo shunt y derivaciones a tierra pueden ser útiles.

En el puente de Murray mostrado en la Fig. 4, cuando el galvanómetro se equilibra, la distancia de defecto viene determinada por la ecuación:

Donde:

D = Distancia de defecto.
L = Longitud del cable.
P = Resistencia fija del puente.
Q = Resistencia variable del puente.

Figura 4: Puente de Murray

Con una batería o fuente de alimentación (por ejemplo una batería de coche) capaz de suministrar la suficiente intensidad a través de la resistencia del defecto, y si las resistencias de las conexiones externas se mantienen bajas, el puente de Murray dará unos excelentes resultados.

Figura 5: Puente de alta resistencia T272 (BICCOTEST)

Si la resistencia del defecto es alta, y no puede ser reducida por métodos de quemado, es posible invertir el puente, cambiando la posición del galvanómetro y de las baterías para incrementar la sensibilidad. Estos equipos son capaces de detectar defectos de hasta 200 MΩ, pudiéndose prelocalizar defectos del tipo shunt entre conductores, entre conductor y pantalla y entre conductor y tierra. Cuando un trazado de una conducción está formado por cables de diferentes secciones, deberá calcularse la longitud equivalente de cada sección de cable. Los defectos por falta de continuidad pueden ser hallados por un puente de capacidad. Este método sirve siempre que la rotura es limpia, pero si hay humedad en el cable entonces la situación se complica ya que la capacidad dispersa dificulta enormemente la lectura. También resulta difícil si la resistencia del defecto es inferior a 1.000 Ω.

El método de prelocalización de defectos en cables basado en la propagación de ondas, resuelve los problemas de las diferentes secciones del cable y los problemas que presenta el puente de capacidad.

Figura 6: Método de ecometría y ejemplo de formas de onda

El tiempo T (μs) que tarda el impulso de baja tensión para ir desde el generador hasta el defecto y regresar, puede utilizarse para calcular la distancia del defecto si se conoce la velocidad de propagación o el coeficiente dieléctrico del cable:

Donde:

D = Distancia hasta el defecto.
V = Velocidad de propagación del cable (m/µs).

Para cable extrusionado XLPE la velocidad de propagación viene dada por la siguiente ecuación:

El éxito del ecómetro depende de la interpretación de las señales reflejadas des- de el defecto y de las demás señales reflejadas procedentes de los cambios de impedancia, por ejemplo derivaciones y empalmes. La amplitud de la señal reflejada depende del valor de Rf o de la impedancia del cable. En la Fig. 7 se muestra la amplitud del reflejo tanto para defectos serie como shunt.

Figura 7: Amplitud del reflejo en función de la resistencia del defecto

Puede observarse que la línea que divide entre baja y alta resistencia en defectos shunt (Rf/Z0 = 10) representa una reflexión mayor o menor que el 5%. Con impedancias de cables de potencia comprendidas entre 10 y 100 Ω, el límite que habíamos definido de 10 Z0 significa que la mayoría de los defectos no francos pueden ser prelocalizados sin precondicionar previamente. Por comparación entre una línea buena y otra mala, todos los abiertos aplicando una tensión shunt se comportan bastante capacitivos, dando una reflexión negativa como si se tratase de un defecto de baja resistencia.

La comparación simultánea en pantalla entre una línea defectuosa y una línea buena facilita enormemente la localización de defectos. Los ecómetros modernos incluyen comparación y diferencia de señales con el fin de obtener en pantalla sólo el defecto. Incorporan una pantalla en donde se indican todos los parámetros, la distancia del defecto y operan con batería interna.

Si un defecto de alta resistencia o de arco no puede ser precondicionado (quemado), hay que abandonar las técnicas de ecometría de baja tensión en favor de un método de alta tensión tal como el método de “IMPULSO CORRIENTE”.

Figura 8: BICCOTEST T511 Ecómetro de mano. 3 km

Figura 9: BICCOTEST T535 ecómetro con memoria digital y dos escalas de entrada. 15 km

El método de impulso corriente es un sistema muy eficaz y rápido para localizar averías ya que no es necesario precondicionar previamente. Este método utiliza un generador de alta tensión que sirve a la vez para localizar la posición exacta del defecto y para prelocalizar. La Fig. 10 representa la evolución de la señal a través del cable a partir del instante en que se cierra el circuito con un defecto de alta resistencia.

Figura 10: Diagrama que muestra la evolución de las oscilaciones de corriente

en un defecto de alta resistencia

En un defecto de alta resistencia, cuando el generador de tensión es descargado sobre el cable y provoca un impulso, la onda de corriente viaja a lo largo del cable, pasa por el defecto, se invierte en el extremo abierto del cable, vuelve de nuevo al generador pasando por el defecto y el pulso de polaridad opuesta es captado por el acoplador lineal. La rotura del defecto como puede observarse en la Fig. 10 nunca ocurre inmediatamente cuando la onda de corriente llega al defecto debido a un fenómeno conocido como “tiempo de ionización del defecto”.

No obstante, cuando se produce la rotura, dos nuevas ondas se generan en el defecto y son lanzadas a ambos lados del defecto. Estas ondas viajan a través del cable y se dirigen hacia los extremos de éste, en donde dependiendo de la impedancia del equipo conectado, las ondas se reflejan de nuevo hacia el defecto. Una vez se produce el arco en el defecto, el gas ionizado por la tensión crea un camino de baja resistencia entre los dos pares de electrodos (los dos conductores metálicos que crean el defecto) por tanto, todas las ondas que lleguen al defecto procedentes de los extremos del cable serán reflejas de nuevo por el defecto. La oscilación de corriente que aparece en los extremos del cable es función de la longitud que tiene el cable entre el extremo y el defecto. Dos transitorios se crean, el de tensión y el de corriente, pero el más simple de detectar es el de corriente, por este motivo siempre que hablemos de transitorios u oscilaciones nos referimos al de corriente. Éstos se detectan utilizando un acoplador lineal en el camino de retorno al generador. La distancia al defecto puede determinarse por el intervalo de tiempo T, entre dos reflexiones sucesivas del pulso de rotura producido en el defecto.

Figura 11: BICCOTEST M 601. Equipo de impulso de corriente

Tal como se muestra en la Fig. 16, el método de impulso corriente puede utilizarse para todo tipo de defectos en cables con sólo interpretar las formas de onda. Como las formas de onda son de tan corta duración es esencial utilizar un registrador de tiempo real.

En el equipo de Impulso Corriente de la figura 9 las ondas son guardadas en dos memorias digitales. Mediante dos cursores verticales en pantalla, el operador puede realizar medidas de la distancia del defecto entre dos puntos de la traza. El equipo de impulso corriente se utiliza también para prelocalizar defectos de centelleo e intermitentes usando un generador de prueba de c.c. para conseguir que salte el arco en el defecto. Actualmente este equipo también puede llevar incorporado un ecómetro, para prelocalizar averías francas sin utilizar el generador de ondas de choque, con lo que se obtiene un equipo muy versátil y portátil con todas las prestaciones del equipo de impulso corriente.

Continuará en: Localización de averías en cables de energía (y Parte 2ª)