Ensayo de Cubiertas Exteriores de Cables Subterráneos de MT: Un tema olvidado en las redes de distribución

Con la creciente evolución de proyectos para la creación de parques solares y eólicos en Argentina y Uruguay, y como todo nuevo negocio de generación de energía eléctrica, la planificación de su rentabilidad estará basada principalmente en un cálculo de amortización y vida útil eficiente de los sistemas instalados.

Ensayo de cables

Entre estos sistemas, se encuentran los cables de media tensión, que constituyen para el caso de los eólicos, el vínculo entre cada elemento generador y sus respectivas celdas de maniobras / distribución; o sea el denominado sistema colector de media tensión.

Si bien los cables de MT no son el activo más costoso de estos parques, ni tampoco el más importante; la ocurrencia de fallas en los mismos, significará un periodo de fuera de servicio del principal activo: el generador, empezando a incidir en la rentabilidad del negocio.

Dentro de la proyección de un determinado emprendimiento de generación / distribución de energía eléctrica, se entiende que los cables de media tensión deberían ser especificados y fabricados, para el tipo de uso y para la vida útil deseada, sin olvidar uno de los factores más importantes que contribuirán a su confiabilidad e integridad: el proceso de instalación.

En cables de MT, el apantallamiento o neutro concéntrico se encuentra protegido por un recubrimiento polimérico, denominado comúnmente: cubierta exterior o chaqueta, la cual, aunque generalmente no sea muy tenida en consideración, sus características constructivas e integridad, desempeñan uno de los roles más críticos para el buen desempeño, protección y confiabilidad del cable.

Es prioritario entender, que ante la existencia de perforaciones en la cubierta exterior de un cable subterráneo, el inicio de daños al sistema aislante principal, por el ingreso de humedad, solo será una cuestión de tiempo, y los mecanismos de degradación del aislante / apantallamientos, se pondrán en marcha en forma inmediata, hasta terminar con el mismo.

Con el actual incremento de nuevos parques solares y eólicos que requieren un cableado colector de media tensión (generalmente en clase 35KV), y cuya ingeniería de diseño y especificaciones de pruebas, están por el momento a cargo de empresas en su mayoría europeas; por primera vez en Argentina y Uruguay se le ha dado importancia al ensayo de las cubiertas exteriores como un tema obligatorio, e incluido en las etapas de ensayos previos a la puesta en marcha de sus cables, además de la exigencia del uso de tensiones de prueba en VLF, y los ensayos complementarios de tangente delta y descargas parciales (ensayos de diagnóstico).
Esto es así, primero porque durante años la cultura europea hizo escuela en estos temas relacionados con la importancia que desempeñan las cubiertas exteriores, y segundo, porque comprenden que la real rentabilidad proyectada de estos parques energéticos, solo se logra a largo plazo, con extensos periodos confiables de todos sus componentes, y entre ellos, se ubican también los cables colectores de media tensión.

Ensayo de cables 1

Un dato extraño, es que en la puesta en marcha y mantenimiento de redes de distribución de MT de nuestro país, no se suele requerir este ensayo, y por ende, luego de un evento de falla, ya no será fácil discernir, cuál ha sido el origen o causa de la misma, lo que bloquea toda posibilidad de realizar estadísticas de origen de fallas; o sea, nos conformamos con entender que un determinado cable simplemente ha fallado.

Cubiertas Exteriores de Cables de Media Tensión

Para la conformación de cubiertas exteriores, generalmente se exigen una serie de propiedades cualitativas, como ser una buena resistencia a la abrasión, buena ductilidad, resistencia a la humedad, y una buena resistencia al agrietamiento por tensión (mecánica).

Las experiencias han demostrado que para la conformación de cubiertas exteriores, los materiales de revestimiento con mejor rendimiento, son aquellos compuestos a base de polietileno (PE); no obstante, y por una cuestión especialmente de costos, en la mayor cantidad de cables de media tensión que se instalan en Argentina y Uruguay, se siguen solicitando cubiertas exteriores de PVC, (Policloruro de vinilo), y aquí es donde precisamente nos detendremos a analizar y pensar en lo que esto implica.

Pruebas en cables XLPE recuperados después de 10 años de operación, mostraron que cuando el PVC es usado como material de cubierta, su resistencia a la degradación del aislamiento principal, cae casi un 50% (de 20 a 11 kV / mm), con respecto a aquellos con cubiertas confeccionadas con PE de alta densidad (HDPE). Además, la dureza de PE es también una ventaja adicional cuando se requiere una protección también adicional, por ejemplo, ante daños por termitas o por terrenos nocivos.

Ha quedado más que demostrado en las estadísticas del Cigré, que las cubiertas de PE extienden la vida útil del cable, al retrasar la entrada de agua y de iones solubles del suelo, minimizando posibles daños a la instalación, y mitigando la corrosión del apantallamiento.

Como dato no menor, las empresas de servicios públicos propiedad de inversores en los Estados Unidos, especifican siempre una cubierta protectora de PE.

Más allá de la incorporación de bloqueadores de humedad, una breve comparación de las propiedades físicas de los materiales más comunes, utilizados en la fabricación de cubiertas exteriores de cables, se da en la siguiente tabla, reflejando la condición de “permeable” del PVC:

Ensayo de cable cuadro 1
Cuadro 1

* En definitiva, es de buen criterio entender, que más allá de costos unitarios, la selección del material de cobertura tiene una fuerte influencia en la longevidad del sistema aislante.

Es de valorar, que el dimensionamiento o espesor nominal de una cubierta exterior, no surge de un cálculo eléctrico (gradiente de tensión como en el caso del aislamiento principal), sino de un cálculo mecánico, ya que su función no es precisamente la de calidad de aislante; por ejemplo: Espesor (mm) = 0,035 D + 1,0 (s/IEC60502-2, donde “D” es el diámetro nominal bajo cubierta).

Necesidad del ensayo de Cubiertas Exteriores de Cables Subterráneos de MT: Un tema olvidado en las redes de distribución

De acuerdo a Std. IEC60502-2-2015, luego de la etapa de instalación de un cable subterráneo, es mandatorio realizar dos tipos de ensayos:

Ensayo de Tensión aplicada sobre la Aislación Principal.
Ensayo de Integridad de la Cubierta Exterior.

El primero, tiene como objetivo determinar dos factores: Descartar la existencia de errores groseros cometidos durante el procesos de instalación, y su aptitud para una puesta en servicio inmediata; esto último denominado por las normas como verificación de la “integralidad” o “integridad” del cable, sin mediar mayores explicaciones puntuales.

Ensayo de cable 2

De acuerdo a normativas, la tensión de prueba deberá ser del tipo alterna VLF (Very Low Frequency), o de frecuencia industrial, con niveles de tensión y tiempos de aplicación determinados en sus apartados.

El segundo de los ensayos, el que nos ocupa en este estudio, es el ensayo de la cubierta exterior, que tiene como objetivo, verificar que no se hayan producido daños o perforaciones en la protección exterior de los cables, como producto del proceso de instalación de los mismos, incluyendo los posible eventos dañinos o de descuidos durante las etapas previas de almacenamiento, y durante la logística de movimiento o de traslado de la bobinas de cables.

Como se dijo en la introducción, es prioritario entender, que ante la existencia de perforaciones en la cubierta exterior de un cable subterráneo, el inicio de daños al sistema aislante principal por el ingreso de humedad, solo será una cuestión de tiempo, y los mecanismos de degradación se pondrán en marcha en forma inmediata, hasta terminar con el mismo.

Así las cosas, una vez instalado un cable, este ensayo no solo involucrará a la integridad de las cubiertas exteriores de cada fase, sino también a la de sus empalmes y terminaciones en su conjunto (Cable System), sin poder de discriminación puntual del elemento en falla, en caso de ocurrir, lo cual requerirá de otra etapa de búsqueda (sheath fault location).

El Ensayo de Cubiertas Exteriores de cables de MT

Este sencillo ensayo, se realiza básicamente con una fuente de tensión continua, con capacidad para aportar al menos unos 5 mA.
Nota: Sobre cables de extensa longitud y/o con antigüedad en servicio, un Megóhmetro electrónico no es el instrumento indicado para realizar estas pruebas, especialmente por su baja corriente máxima de aporte.

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El ensayo tendrá por objeto, la determinación de posibles puntos a tierra en las pantallas, a lo largo de toda la línea, verificando la existencia de posibles zonas en las que se ha producido una rotura de la cubierta exterior del cable, lo cual como se dijo, permitirá a futuro el ingreso de humedad, y la activación del proceso de degradación de las fases, a la vez de producir puntos con calentamiento concentrado.

Verificada la ausencia de tensión en el circuito, estando ambos extremos de la pantalla de cada fase, libres de tierras, se emitirá un reporte mediante la aplicación de tensión continua de prueba, entre un extremo de la pantalla (-) y tierra (+), incrementable en escalones ΔΕ, hasta el valor máximo de ensayo.

Si durante la aplicación de la tensión de ensayo, se constatara la ausencia de descargas disruptivas, careciendo de incrementos sustanciales de corriente, se considerará a este ensayo con resultado satisfactorio.

La conclusión a la que arriba este ensayo, como todo otro similar de tensión resistida, es únicamente de carácter tipo “pasa – no pasa” de acuerdo a IEEE series 400 para ensayos de Categoría 1, excluyendo cualquier consideración adicional de carácter predictivo (diagnóstico).

Luego, se efectuará una comparación de valores obtenidos en cada medición (cada pantalla de cada fase), con carácter cuantitativo, para determinar posibles condiciones de anomalías.

Seleccionar la Tensión de Ensayo

En primer lugar, se debe valorar que en la práctica y en su razón de ser, y si bien se trata de un ensayo “eléctrico”; en cables instalados el ensayo sobre la cubierta exterior NO tiene por objeto verificar la calidad de aislante de dicha cubierta, lo cual ya se ha hecho en fabrica, si no la de comprobar la integridad del recubrimiento externo de las fases, luego de su tendido.

Dicho de otra manera, y para ser más específicos, esta prueba no se realiza con el fin de verificar la calidad de manufactura del cable (etapa de rutina en fábrica), sino por la necesidad de exponer o descartar solo errores cometidos, o defectos surgidos durante su instalación (montaje), que van más allá de la simple responsabilidad del fabricante, si es que este no ha efectuado el montaje.

Como se dijo anteriormente, el dimensionamiento o espesor nominal de una cubierta exterior, no surge de un cálculo eléctrico (gradiente de tensión como en el caso del aislamiento principal), sino de un cálculo mecánico, ya que su función no es principalmente la de calidad de aislante.

Antes del comienzo de un ensayo, es prioritario fijar la norma de base; la cual determinará siempre dos factores: la tensión de prueba y el tiempo de exposición de la misma; pero a la vez será necesario situarse correctamente en qué etapa de ensayo se estaría incursionando: ACEPTACION (cable nuevo), o MANTENIMIENTO (cables con tiempo en servicio), ya que los valores de tensión de prueba a utilizar cambiarán en forma drástica, ya sea en una u otra de las etapas mencionadas.

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Mientras que en la etapa de ACEPTACIÓN (After Installation), es clara referencia que la misma se llevará adelante luego de la instalación del cable (confeccionados sus empalmes y terminaciones), y antes de su puesta en servicio inicial (prueba rigurosa), y si el cable fallara durante la prueba, será obligatorio su reparación y re-prueba; a diferencia de lo anterior, en la etapa de MANTENIMIENTO, o sea cuando el cable ha superado los seis meses de puesta en servicio, todas las normativas especificas contemplan el uso de tensiones de prueba más reducidas, no por cuestiones de calidad, sino por razones de envejecimiento y degradación normal, a los que se hayan expuestos todos los tendidos de cables, máxime cuando estos son efectuados en forma directamente enterrados.

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Qué nos dicen las normas IEC60502-2- 2014 / IRAM2178-2 2015 / AEA95101-2015

Aclaramos anteriormente, que de acuerdo a Std. IEC60502-2- 2014, o sea la normativa que regula los ensayos de fabricación e instalación (nuevos) de cables subterráneos de Um: 7.2kV a 36kV, es mandatorio entre otros, realizar el ENSAYO DE INTEGRIDAD DE LA CUBIERTA EXTERIOR.

Como procedimiento, la Std. IEC60502-2- 2014 en su cláusula 20.2 “DC voltage test of the oversheath”, nos redirige a la Cláusula 5 de la IEC 60229:2007, en donde finalmente se estipula el valor de la tensión de prueba, y el tiempo de aplicación.

Sintéticamente, esta Cláusula 5, dice que las cubiertas exteriores deben ser probadas con una tensión continua, a un nivel equivalente a 4kV/mm de espesor de aislación de dicha cubierta, durante un tiempo máximo de 1 minuto; y dentro de sus conclusiones, se indica que para resultar satisfactoria, la muestra deberá resistir dicha exigencia sin producir corrientes disruptivas (perforación).

Nota: en cuanto al ensayo de cubiertas exteriores, la IRAM2178-2 2015, en su apartado 19.1, reproduce exactamente lo exigido aquí por IEC60502-2- 2014.

La correcta interpretación de las normas IEC60229- 2007 / IRAM2178-2 2015, cuando dicen “aplicar 4kV/mm con un máximo de 10kVcc”, no debe ser entendida como que el aplicar 10kVcc signifique una condición de mayor rigurosidad, o de mejor performance, por el contrario, indica que una cubierta de por ejemplo 3mm de espesor, debería recibir no obstante un máximo de 10KVcc, y no de 12KVcc.

Nuevamente: el máximo de 10kVcc es un límite que no se debe exceder, aun cuando las cubiertas posean más de 2.5mm (y aun siendo nuevas).

Pero el detalle a tener en cuenta, es que todo lo anterior basado en la IEC60502-2- 2014 / IRAM2178- 2 2015 / IEC60229-2007, es dirigido únicamente para cables nuevos, recién instalados; y por el contrario, para cables que ya han estado en servicio, es ahora la Reglamentación AEA 95101 (REGLAMENTACION PARA LINEAS ELECTRICAS EXTERIORES EN GENERAL INSTALACIONES SUBTERRÁNEAS DE ENERGIA Y TELECOMUNICACIONES), en su Apartado 13.2 ENSAYO DE LA CUBIERTA EXTERIOR DEL CABLE, quien pasa a liderar y a exponer los cumplimientos obligatorios para llevar adelante estos ensayos, fijando nuevas tensiones de prueba, al considerar la condición de “usado” del cable (etapa de mantenimiento).

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Grafico 1

De acuerdo a todo lo anterior, el gráfico 1 define las etapas de pruebas y las normativas / reglamentaciones pertinente

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Conclusiones

Si bien el ensayo de las cubiertas exteriores se presenta como sencillo y necesario; no deberíamos olvidar que:
La norma IEC60229-2007 es una norma que refiere a los ensayos de cubiertas exteriores, solo en tres etapas: a) ensayos individuales. b) ensayos de tipo. c) ensayos después de instalación (After Installation), no así para cables que han estado en servicio.
Los ensayos de aislación sobre cubiertas de cables instalados, no están dirigidos a verificar su calidad de aislante, si no a demostrar su integridad.
Una cubierta de PVC es con el tiempo permeable, y por difusión su resistencia dieléctrica inevitablemente se degrada.
La AEA95101-2015, es el documento indicado para aplicar en estas clases de pruebas, sobre cables con años en servicio.

Otras normas como la VDE0276 Part. 620, hacen una clara diferenciación sobre la tensión de ensayo de las cubiertas exteriores en función al tipo de material que las constituyen: Cubiertas de PVC: 3kVcc; y Cubiertas de PE: 5kVcc.
Pero en especial, hemos comprendido a fuerza de errores, que si un operador de equipo de pruebas no se detiene a pensar en estos factores:

Etapa de ensayo en la cual se encuentra (instalación – mantenimiento).
Normativa debería seguir.
Tipo de aislación que se encuentra bajo prueba (PE – PVC).
Espesores de cubiertas a probar.
Nivel correcto de tensión de prueba.
Objetivo del ensayo (no una aislación sino una integridad).
Entonces, seguramente los resultados podrían ser catastróficos.

Más información: www.inducor.com.ar

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