En los
cables para Media Tensión, es una práctica común poner a tierra las
pantallas metálicas del cable en un
extremo de la instalación para longitudes cortas y en cada uno de los extremos
de los pozos de visita para longitudes largas. En el primer caso se asegura que
no hayan corrientes circulantes por la pantalla, pero pueden inducirse tensiones
en la misma que pueden afectar al personal de operación o mantenimiento, en el
segundo caso se minimiza el efecto de inducción de tensiones en la pantalla,
pero se crea la posibilidad de que existan corrientes circulantes por la
pantalla, que causan calentamiento del cable y por consiguiente una disminución
de la capacidad de corriente del cable.
En el
presente artículo se analizan estas condiciones de puesta a tierra de las
pantallas de los cables de MT.
1.- Cables unipolares
El paso de una corriente
por un cable crea una tensión inducida en la pantalla metálica. Esta tensión
depende de la disposición geométrica de los cables, de su longitud y de la
corriente que por él circula:
Cable
unipolar con pantalla metálica
Para tendidos de cable importantes, E0 puede presentar valores peligrosos para el personal de operación y mantenimiento. La norma preve la puesta a tierra de las pantallas en los dos extremos cuando E0 sobrepase el límite de 50 V en régimen permanente.
Por el
contrario, la puesta a tierra de las pantallas en los dos extremos crea
corrientes de circulación permanentes en las pantallas.
Ver artículo:
"Puesta a tierra de pantallas en cables aislados subterráneos de alta tensión" en el siguiente link:
En caso de
cortocircuito, cuando la pantalla del cable está puesta a tierra en un solo
extremo, el potencial inducido en el otro extremo puede ser tan elevado que
destruya el aislamiento del cable al nivel de la conexión, por lo que se deben
tomar las precauciones necesarias.
1.1.- Cálculo de la corriente de
circulación por la pantalla
Durante un régimen
permanente equilibrado (o un cortocircuito trifásico), la tensión inducida en
una pantalla puesta a tierra en los dos extremos hace circular una corriente a
través del circuito formado por:
-
La propia pantalla
-
Las tomas de tierra
-
La tierra
Corriente de circulación en la
pantalla
Esta
corriente viene dada por la fórmula:
Z: impedancia total del
circuito pantalla – tomas de tierra – tierra
Con:
Rp: resistencia de la pantalla
Rt1,Rt2: resistencias
de las tomas de tierra
RT: resistencias de la tierra
L: inductancia total del circuito
Para determinar L y RT, la tierra puede
considerarse como un conductor ficticio de resistencia RT situado a
una distancia D de la superficie del suelo tal que:
e: 2,718 (In e = 1)
γ: constante de Euler = 1,718
ρ: resistividad del suelo
μ0 = 4π · 10-7:
permeabilidad magnética del vacío
Para un suelo de mediana resistividad ρ =
100 Ω · m y una frecuencia f = 50 Hz, la aplicación numérica nos da D = 935 m.
El valor de la inductancia del circuito
pantalla- tierra viene dada por la fórmula:
ln: logaritmo neperiano
d: diámetro medio de la pantalla
En la práctica, L es aproximadamente 2
·10-3 H/km, es decir Lw = 0,63 Ω/km
1.2.- Ejemplo de aplicación:
Consideremos un cable unipolar de 20 kV
de aluminio de sección 300 mm2, aislamiento PE de longitud l = 3 km,
enterrado en un suelo de resistividad ρ = 100 Ω · m, donde las características
son las siguientes:
-
Iadmisible
= 500 A
-
d = 33,5 mm
-
a = 38,5 mm
-
Rp =
0,45 Ω/km
El cable está instalado en una red tal
que:
-
IB =
400 A
-
Icc =
8 kA
-
Rt1 =
Rt2 = 0,2 Ω
1.2.1.-
La tensión inducida en régimen permanente es:
Se sobrepasa el límite de los 50 V, por lo tanto, será
necesario poner la pantalla a tierra en los dos extremos.
1.2.2.- La corriente de circulación
en la pantalla será en este caso:
El
valor de la inductancia del circuito pantalla – tierra es:
La
impedancia total es:
NOTA:
si se desprecia la impedancia de las tomas de tierra, la corriente de
circulación en la pantalla es independiente de la longitud de la red.
1.2.3.- La tensión inducida en caso
de cortocircuito es:
Esta corriente debe ser
soportada por la pantalla durante el tiempo máximo que dura el cortocircuito.
NOTA: Si la longitud de
la red es de 2 km, se pondrá la pantalla a tierra en un solo extremo. La
tensión inducida en la pantalla durante el cortocircuito será igual a 840 V. En
este caso será necesario verificar que el aislamiento de la pantalla al nivel
de los terminales de conexión es suficiente.
1.2.4.- Evaluación
de las pérdidas We en las pantallas
Las pérdidas en el cable son:
Ra: resistencia del conductor
del cable
Para un conductor de
aluminio de sección S = 300 mm2, Ra = 0,1 Ω/km
Las pérdidas en la pantalla representan el 1,5% de las pérdidas en el
conductor. Estas pueden ser en este caso pequeñas para la determinación de la
corriente máxima admisible en el cable.
1.3.- Efectos térmicos en las pantallas de cables
Cuando la pantalla está puesta a tierra en los dos extremos, la
circulación permanente de corriente inducida en la pantalla provoca un
calentamiento suplementario en el cable y reduce en consecuencia su intensidad
admisible.
Generalmente, este fenómeno no se tiene en cuenta nada más que para
los cables de sección superior a 240 mm2.
Se puede aplicar la regla siguiente:
-
Pantalla delgada
y sin armadura, para S > 1000 mm2 la corriente admisible se reduce en un 5%
-
Pantalla gruesa y
sin armadura, la corriente admisible se reduce en:
5% para 240 mm2 ≤ S ≤ 800 mm2
10% para S > 800 mm2
- Cables con
pantalla y armadura, la corriente admisible se reduce en:
5% para
240 mm2 ≤ S ≤ 400 mm2
10% para
500 mm2 ≤ S ≤ 800 mm2
15% para
S > 800 mm2
2.- Cables tripolares
En cables tripolares
de campo radial en el que la pantalla metálica rodea los tres conductores, el
campo electromagnético es nulo en régimen equilibrado.
En régimen normal de
funcionamiento, no existe corriente de circulación en la pantalla.
Cable tripolar
con pantallas y armadura metálicas
Fuente:
Guide de conception des réseaux électriques industriels – Schneider
Electric
Disponible en pdf en la siguiente URL:
Estimado Andrés,
ResponderEliminarPara el caso de un cable de Media Tensión con pantalla de hilos de cobre + armadura de aluminio, procede la puesta a tierra también de la armadura?.
Francisco Gutiérrez Hernández
Ingeniero Industrial
Saludos Cordiales
Estimado D. Andrés,
ResponderEliminarPara cables con armadura + pantalla, se deben conectar ambas a la misma tierra en los extremos, o se deja la armadura sin poner a tierra. Esta tiene una función mecánica y es en aluminio
Saludos Cordiales
Estimado Francisco,
ResponderEliminarEfectivamente, es la pantalla el elemento conductor dispuesto sobre el aislamiento de un cable radial el que lo protege contra sobretensiones, da un camino de salida a las corrientes de defecto a tierra y uniformiza el campo eléctrico en el interior del cable.
La armadura, por su parte, es un recubrimiento protector constituido por una envoltura metálica (hierro, acero, aluminio, etc.) destinado a proteger al cable contra acciones mecánicas externas.
saludos
Estimado Andrés, antes que nada gracias por la respuesta. Mi cuestionamiento va relacionado con que la propiedad me pide que no le de tierra a la armadura, pero según mi criterio debo ponerla a tierra en los extremos, conjuntamente en las celdas de línea con las pantallas.
EliminarEntiendo que todo lo que supone es mayor seguridad en la instalación.
Saludos Cordiales
Es que la propiedad me indica que la armadura, que es a base de flejes de aluminio, no la debo poner a tierra, solo la pantalla, criterio con el que discrepo con ellos. No poner la armadura a tierra en los extremos, en las celdas de línea, entiendo que estas puedan adquirir tensión inducida.
ResponderEliminarSaludos
Estimado Francisco,
ResponderEliminarLas armaduras y pantallas de los cables de campo radial necesariamente han de ir conectadas a tierra.
En los cables unipolares armados y los cables de media tensión de secciones importantes pueden inducirse en las armaduras y pantallas tensiones de valor suficiente para provocar corrientes de circulación elevada que darían lugar a perdidas importantes por efecto Joule, adicionales a la del propio conductor, lo que originaria un sobrecalentamiento del cable.
Es necesario, por tanto, estudiar cada caso concreto y tomar las precauciones que se han indicado en el texto de disponer las tierras en un solo extremo o ambos dependiendo de las características del cable, su longitud, etc.
Saludos
Excelente artículo
ResponderEliminarExcelente artículo. Gracias por compartirlo. En que bibliografía puedo estudiar mas a fondo este tema?
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ResponderEliminarEstimado Henry,
Como respuesta a su consulta de: que pasa cuando se conectan ambos extremos a tierra en un cable tripolar clase 25 KV, la distancia es menos de 1 km.
Le recomiendo la lectura de los siguientes posts publicados en este blog, el primero titulado "Los cableados y la CEM" en su apartado 8.1.8.- Conexión de las pantallas. puede acceder a el con el link:
https://imseingenieria.blogspot.com/2021/07/los-cableados-y-la-cem.html
y el segundo titulado: Puesta a tierra de pantallas en cables aislados subterráneos de alta tensión, disponible en el siguiente link:
https://imseingenieria.blogspot.com/2017/01/puesta-tierra-de-pantallas-en-cables.html
Saludos