Cable de alta tensión

Un cable de alta tensión ( cable AT ), también conocido como cable de alta tensión ( cable AT ), es un cable utilizado para la transmisión de energía eléctrica a alta tensión . Un cable consta de un conductor y aislamiento . Se considera que los cables están completamente aislados, lo que significa que poseen un sistema de aislamiento con capacidad nominal completa , compuesto por aislamiento, capas semiconductoras y una pantalla metálica. Esto contrasta con una línea aérea , que puede incluir aislamiento, pero no con capacidad nominal completa para la tensión de funcionamiento (por ejemplo, el cable de tendido eléctrico). Los cables de alta tensión de diferentes tipos tienen diversas aplicaciones en instrumentación, sistemas de encendido y transmisión de energía de corriente alterna (CA) y corriente continua (CC). En todas las aplicaciones, el aislamiento del cable no debe deteriorarse debido a la tensión, el ozono producido por descargas eléctricas en el aire ni el seguimiento de corrientes. El sistema de cableado debe evitar el contacto del conductor de alta tensión con otros objetos o personas, y debe contener y controlar la corriente de fuga. Las uniones y terminales del cable deben diseñarse para controlar la tensión y evitar la rotura del aislamiento.

La longitud de los cables de alta tensión puede variar desde unos pocos metros hasta miles de metros. Los cables relativamente cortos se utilizan en aparatos eléctricos, mientras que los más largos se instalan dentro de edificios o se entierran en plantas industriales o para la distribución de energía. Los cables de mayor longitud suelen ser cables submarinos que se utilizan bajo el océano para la transmisión de energía.

Like other power cables, high-voltage cables have the structural elements of one or more conductors, an insulation system, and a protective jacket. High-voltage cables differ from lower-voltage cables in that they have additional internal layers in the insulation system to control the electric field around the conductor. These additional layers are required at 2,000 V and above between conductors. Without these semi-conducting layers, the cable will fail due to electrical stress within minutes. This technique was patented by Martin Hochstadter in 1916;^[1] the shield is sometimes called a Hochstadter shield and shielded cable used to be called H-Type Cable. Depending on the grounding scheme, the shields of a cable can be connected to the ground at one end or both ends of the cable. Splices in the middle of the cable can be also grounded depending on the length of the circuit and if a semiconducting jacket is employed on direct buried circuits.

Since 1960 solid dielectric extruded cables have taken dominance in the distribution market. These medium voltage cables are generally insulated with EPR or XLPE polymeric insulation. EPR insulation is common on cables from 4 to 34 kV. EPR is not commonly used over 35 kV due to losses, however, it can be found in 69 kV cables. XLPE is used at all voltage levels from the 600V class and up. Sometimes EAM insulation is marketed, however, market penetration remains fairly low. Solid, extruded insulation cables such as EPR and XLPE account for the majority of distribution and transmission cables produced today. However, the relative unreliability of early XLPE resulted in a slow adoption at transmission voltages. Cables of 330, 400, and 500 kV are commonly constructed using XLPE today, but this has occurred only in recent decades.

Un tipo de aislamiento cada vez menos común es el PILC o cable con aislamiento de papel y cubierta de plomo. Algunas compañías eléctricas todavía lo instalan para circuitos de distribución en construcciones nuevas o reemplazos. Sebastian Ziani de Ferranti fue el primero en demostrar en 1887 que el papel kraft cuidadosamente secado y preparado podía formar un aislamiento de cable satisfactorio a 11.000  V. Anteriormente, el cable con aislamiento de papel solo se había aplicado para circuitos de telégrafo y teléfono de baja tensión. Se requería una cubierta de plomo extruido sobre el cable de papel para asegurar que el papel permaneciera libre de humedad. Los cables de media tensión con aislamiento de papel impregnado en masa eran comercialmente viables en 1895. Durante la Segunda Guerra Mundial se aplicaron varias variedades de aislamiento de caucho sintético y polietileno a los cables. ^{[ 2 ]} Los cables modernos de alta tensión utilizan polímeros, especialmente polietileno, incluido el polietileno reticulado (XLPE) para el aislamiento.

El declive del cable PILC se sitúa entre las décadas de 1980 y 1990, cuando las empresas de servicios públicos urbanas comenzaron a instalar más cables con aislamiento de EPR y XLPE. Los factores que contribuyeron a la disminución del uso del PILC fueron la alta especialización necesaria para empalmar el plomo, los tiempos de empalme más prolongados, la menor disponibilidad del producto a nivel nacional y la presión para dejar de usar plomo por motivos medioambientales y de seguridad. Cabe destacar también que el cable con aislamiento de caucho y cubierta de plomo gozó de cierta popularidad antes de 1960 en los mercados de baja y media tensión, pero no fue ampliamente utilizado por la mayoría de las empresas de servicios públicos. Los alimentadores PILC existentes suelen considerarse al final de su vida útil y están sujetos a programas de reemplazo.

El caucho vulcanizado fue patentado por Charles Goodyear en 1844, pero no se aplicó al aislamiento de cables hasta la década de 1880, cuando se utilizó para circuitos de iluminación. ^{[ 1 ]} En 1897 , se utilizó cable con aislamiento de caucho para  circuitos de 11 000 V instalados para el proyecto de generación de energía de las Cataratas del Niágara .

Los cables rellenos de aceite, rellenos de gas y de tipo tubería se consideran obsoletos desde la década de 1960. Estos cables están diseñados para permitir un flujo significativo de aceite a través de ellos. Los cables PILC estándar están impregnados de aceite, pero este no está diseñado para circular ni enfriar el cable. Los cables rellenos de aceite suelen tener aislamiento de plomo y se pueden adquirir en bobinas. Los cables de tipo tubería se diferencian de los rellenos de aceite en que se instalan dentro de una tubería rígida, generalmente de acero. En los cables de tipo tubería, primero se construyen las tuberías y, posteriormente, se introduce el cable. El cable puede incorporar guías de deslizamiento para evitar daños durante el proceso de instalación. El volumen de aceite en la sección transversal de un cable de tipo tubería es significativamente mayor que en un cable relleno de aceite. Estos cables de tipo tubería se llenan de aceite a presiones nominales bajas, medias y altas. Los voltajes más altos requieren presiones de aceite más elevadas para evitar la formación de huecos que permitirían descargas parciales dentro del aislamiento del cable. Los cables tubulares suelen contar con un sistema de protección catódica alimentado por tensión, a diferencia de los circuitos de cables rellenos de aceite. Estos sistemas a menudo se protegen contra la formación de fisuras mediante un revestimiento asfáltico. Si bien aún existen muchos circuitos tubulares en funcionamiento, su uso ha disminuido debido a su elevado costo inicial y al enorme presupuesto de operación y mantenimiento necesario para el mantenimiento de la flota de estaciones de bombeo.

Se define como alto voltaje cualquier voltaje superior a 1000 voltios. ^{[ 3 ]} Los de 2 a 33  kV se denominan generalmente cables de media tensión  , y los superiores a 50 kV, cables de alta tensión .

Los cables de alta tensión modernos tienen un diseño sencillo que consta de pocas partes: el conductor, la pantalla del conductor, el aislamiento, la pantalla del aislamiento, la pantalla metálica y la cubierta. Otras capas pueden incluir cintas impermeables, cordones de desgarro y alambres de armadura. Los conductores de cobre o aluminio transportan la corriente, véase (1) en la figura 1. ( Para una explicación detallada sobre los cables de cobre, véase el artículo principal: Conductor de cobre ) . El aislamiento, la pantalla del aislamiento y la pantalla del conductor suelen ser de polímero, con algunas raras excepciones.

Los diseños de conductores individuales de menos de 2000 kcm son generalmente concéntricos. Los hilos individuales a menudo se deforman durante el proceso de trenzado para proporcionar una circunferencia general más uniforme. Estos se conocen como conductores compactos y comprimidos. El conductor compacto ofrece una reducción del 10 % en el diámetro exterior, mientras que la versión comprimida solo ofrece una reducción del 3 %. La selección de un conductor comprimido o compacto a menudo requerirá un conector diferente durante el empalme. Los cables de transmisión de 2000 kcm y mayores a menudo incluyen un diseño sectorizado para reducir las pérdidas por efecto pelicular . Los cables de potencia de servicios públicos a menudo están diseñados para funcionar a temperaturas de conductor de hasta 75 °C, 90 °C y 105 °C. Esta temperatura está limitada por el estándar de construcción y la selección de la cubierta.

El blindaje del conductor siempre está unido permanentemente al aislamiento del cable EPR o XLPE en el cable dieléctrico sólido. El blindaje de aislamiento semiconductor puede ser fijo o extraíble, según las preferencias del comprador. Para tensiones de 69 kV o superiores, el blindaje de aislamiento generalmente es fijo. Se adquiere un blindaje de aislamiento pelable para reducir el tiempo y la habilidad de empalme. Se puede argumentar que el semiconductor pelable puede generar menos problemas de mano de obra en media tensión. ^{[ 4 ]} En los cables con aislamiento de papel, las capas semiconductoras consisten en cintas metalizadas o con contenido de carbono aplicadas sobre el conductor y el aislamiento de papel. La función de estas capas es evitar cavidades llenas de aire y suprimir la tensión entre los conductores metálicos y el dieléctrico para que no se produzcan pequeñas descargas eléctricas que puedan dañar el material aislante. ^{[ 5 ]}

El blindaje aislante está cubierto por una pantalla de cobre, aluminio o plomo. Esta pantalla o revestimiento metálico actúa como capa de puesta a tierra y drena las corrientes de fuga. La función del blindaje no es conducir fallas, pero esta funcionalidad puede diseñarse si se desea. Algunos diseños posibles son cinta de cobre, cables de cobre concéntricos, blindajes corrugados longitudinalmente, pletinas planas de cobre o revestimiento de plomo extruido.

La cubierta del cable suele ser polimérica. Su función es proporcionar protección mecánica y evitar la entrada de humedad y sustancias químicas. Las cubiertas pueden ser semiconductoras o no conductoras, según las condiciones del suelo y la configuración de puesta a tierra deseada. También se pueden utilizar cubiertas semiconductoras en los cables para facilitar las pruebas de integridad. Algunos tipos de cubiertas son LLDPE, HDPE, polipropileno , PVC (de gama baja), LSZH, etc.

Durante el desarrollo del aislamiento de alta tensión, que ha durado aproximadamente medio siglo, dos características resultaron ser primordiales. Primero, la introducción de las capas semiconductoras. Estas capas deben ser absolutamente lisas, sin protuberancias de tan solo unos pocos micrómetros . Además, la fusión entre el aislamiento y estas capas debe ser absoluta; ^{[ 6 ]} cualquier fisión, bolsa de aire u otro defecto  —incluso de unos pocos micrómetros—  es perjudicial para el cable. Segundo, el aislamiento debe estar libre de inclusiones, cavidades u otros defectos del mismo tamaño. Cualquier defecto de este tipo acorta la vida útil del cable, que se supone que es del orden de 30 años o más. ^{[ 7 ]}

La cooperación entre fabricantes de cables y de materiales ha dado como resultado grados de XLPE con especificaciones rigurosas. La mayoría de los productores de compuestos de XLPE especifican un grado "extra limpio" donde se garantiza la cantidad y el tamaño de las partículas extrañas. Es necesario envasar la materia prima y descargarla en un entorno de sala limpia en las máquinas de fabricación de cables. El desarrollo de extrusoras para la extrusión y reticulación de plásticos ha dado lugar a instalaciones de fabricación de cables para producir aislamientos puros y sin defectos. La prueba final de control de calidad es una  prueba de descarga parcial de voltaje elevado de 50 o 60 Hz con muy alta sensibilidad (en el rango de 5 a 10 picoculombios). Esta prueba se realiza en cada bobina de cable antes de su envío.

Un cable de alta tensión para la transmisión de corriente continua de alta tensión (HVDC) tiene la misma construcción que el cable de CA que se muestra en la figura 1. La física y los requisitos de prueba son diferentes. ^{[ 8 ]} En este caso, la suavidad de las capas semiconductoras (2) y (4) es de suma importancia. La limpieza del aislamiento sigue siendo imperativa. El material semiconductor puede ser polietileno reticulado (XLPE ) con negro de humo . ^{[ 9 ]}

Muchos cables HVDC se utilizan para conexiones submarinas de corriente continua , ya que a distancias superiores a aproximadamente 100  km ya no se puede utilizar corriente alterna. En 2021, el cable submarino más largo era el North Sea Link , que conecta Noruega con el Reino Unido y tiene una longitud de 720 km (450 millas) .  

Los terminales de los cables de alta tensión deben gestionar los campos eléctricos en los extremos. ^{[ 10 ]} Sin dicha construcción, el campo eléctrico se concentrará en el extremo del conductor de tierra como se muestra en la figura 8.

Aquí se muestran las líneas equipotenciales, que pueden compararse con las curvas de nivel en un mapa de una región montañosa: cuanto más cerca estén estas líneas entre sí, mayor será la pendiente y mayor el peligro, en este caso, el peligro de una avería eléctrica . Las líneas equipotenciales también pueden compararse con las isobaras en un mapa meteorológico: cuanto más densas sean las líneas, mayor será el viento y mayor el peligro de daños. Para controlar las líneas equipotenciales (es decir, controlar el campo eléctrico) se utiliza un dispositivo llamado cono de tensión , véase la figura 9. ^{[ 11 ]} La clave para aliviar la tensión es ensanchar el extremo del blindaje siguiendo una curva logarítmica. Antes de 1960, los conos de tensión se fabricaban a mano con cinta adhesiva, después de la instalación del cable. Estos se protegían con tapas de encapsulado , llamadas así porque se vertía un compuesto de encapsulado/dieléctrico alrededor de la cinta dentro de un aislante de metal/porcelana. Alrededor de 1960, se desarrollaron terminaciones preformadas que consisten en un cuerpo de caucho o elastómero que se estira sobre el extremo del cable. ^{[ 12 ]} Sobre este cuerpo similar al caucho R se aplica un electrodo de protección que dispersa las líneas equipotenciales para garantizar un campo eléctrico bajo.

La clave de este dispositivo, inventado por NKF en Delft en 1964, ^{[ 13 ]} reside en que el orificio del cuerpo elástico es más estrecho que el diámetro del cable. De este modo, la interfaz (azul) entre el cable y el cono de tensión se somete a presión mecánica, impidiendo la formación de cavidades o bolsas de aire entre ambos. Así, se evita la ruptura dieléctrica en esta región.

Esta construcción puede rodearse además con un aislante de porcelana o silicona para uso en exteriores, ^{[ 14 ]} o con dispositivos para introducir el cable en un transformador de potencia bajo aceite o en un cuadro de distribución bajo presión de gas. ^{[ 15 ]}

La conexión de dos cables de alta tensión plantea dos problemas principales. Primero, las capas conductoras exteriores de ambos cables deben terminarse sin causar una concentración de campo, ^{[ 16 ]} como ocurre al fabricar un terminal de cable. Segundo, debe crearse un espacio libre de campo donde se puedan alojar de forma segura el aislamiento del cable cortado y el conector de los dos conductores. ^{[ 17 ]} Estos problemas fueron resueltos por NKF en Delft en 1965 ^{[ 18 ]} mediante la introducción de un dispositivo llamado manguito bimanchet .

La figura 10 muestra una fotografía de la sección transversal de dicho dispositivo. En un lateral de la fotografía, se dibujan los contornos de un cable de alta tensión. El rojo representa el conductor y el azul, el aislamiento. Las partes negras corresponden a componentes de caucho semiconductor. La parte exterior está a potencial de tierra y distribuye el campo eléctrico de forma similar a como lo hace un terminal de cable. La parte interior está a alta tensión y protege el conector de los conductores del campo eléctrico.

El campo en sí se desvía como se muestra en la figura 11, donde las líneas equipotenciales se dirigen suavemente desde el interior del cable hacia la parte exterior del bimanchet (y viceversa en el otro lado del dispositivo).

La clave reside aquí, como en el terminal del cable, en que el diámetro interior de este bimanchet se elige menor que el diámetro sobre el aislamiento del cable. ^{[ 19 ]} De esta forma se crea una presión permanente entre el bimanchet y la superficie del cable, evitando así cavidades o puntos débiles eléctricos.

La instalación de un terminal o manguito bimanchet es un trabajo especializado. Los pasos técnicos de retirar la capa semiconductora exterior en el extremo de los cables, colocar los cuerpos de control de campo, conectar los conductores, etc., requieren habilidad, limpieza y precisión.

Los cables de rayos X ^{[ 20 ]} se utilizan en longitudes de varios metros para conectar la fuente de alta tensión (AT) con un tubo de rayos X o cualquier otro dispositivo de AT en equipos científicos. Transmiten corrientes pequeñas, del orden de miliamperios , a tensiones continuas de 30 a 200  kV, o a veces superiores. Los cables son flexibles, con aislamiento de caucho u otro elastómero , conductores multifilares y una cubierta exterior de alambre de cobre trenzado. Su construcción presenta los mismos elementos que otros cables de alimentación de alta tensión.

Existen diferentes causas de fallos en el aislamiento de los cables, ya sean de dieléctrico sólido o de papel. Por lo tanto, existen diversos métodos de prueba y medición para comprobar el correcto funcionamiento de los cables o detectar fallos. Si bien los cables de papel se prueban principalmente con ensayos de resistencia de aislamiento de CC, la prueba más común para los sistemas de cables de dieléctrico sólido es la prueba de descarga parcial. Es necesario distinguir entre prueba y diagnóstico de cables .

Mientras que los métodos de prueba de cables dan como resultado una declaración de pasa/no pasa, los métodos de diagnóstico permiten evaluar el estado actual del cable. Con algunas pruebas, incluso es posible localizar la posición del defecto en el aislamiento antes de que falle.

En algunos casos, la formación de arborizaciones eléctricas (árboles de agua) puede detectarse mediante la medición de tangente delta . La interpretación de los resultados de la medición puede, en algunos casos, permitir distinguir entre cables nuevos y cables con fuertes arborizaciones eléctricas. Desafortunadamente, existen muchos otros problemas que pueden presentarse erróneamente como una tangente delta alta, y la gran mayoría de los defectos dieléctricos sólidos no pueden detectarse con este método. Los daños en el aislamiento y la formación de arborizaciones eléctricas pueden detectarse y localizarse mediante la medición de descargas parciales . Los datos recopilados durante el procedimiento de medición se comparan con los valores de medición del mismo cable obtenidos durante la prueba de aceptación. Esto permite una clasificación simple y rápida del estado dieléctrico del cable probado. Al igual que con la tangente delta, este método tiene muchas limitaciones, pero con un buen cumplimiento de los estándares de prueba de fábrica, los resultados de campo pueden ser muy fiables.

• Absorción dieléctrica , un peligro
• transmisión de energía eléctrica
• Corriente continua de alto voltaje
• Cable de alimentación
• Pruebas de cables VLF

• Medición de tangente delta: diagnóstico de cables en redes de media tensión - b2hv en Wayback Machine (archivado el 12/04/2013)
• Medición de descargas parciales en cables de media tensión - b2hv en Wayback Machine (archivado el 24/03/2011)
• Prueba de resistencia a la tensión alterna in situ para cable de alta tensión de 200 kV