La demanda de cables de potencia para media y altatensión aislados con XLPE (polietileno reticulado) o EPR(caucho etileno propileno) se ha incrementado de formaexponencial durante los últimos 30 años, y hoy son losmás usados en el mundo. Esta gran expansión delmercado de los cables con aislamiento plástico conllevaa que los tipo Oil-filled (inmersos en aceite), para voltajeshasta 250 kV, sean reemplazados por cables aisladosen XLPE o EPR; materiales de menor peso, mejorespropiedades eléctricas, mecánicas y térmicas y menorcosto de mantenimiento. Adicionalmente, el reemplazoen áreas urbanas de las líneas aéreas por cablesenterrados con aislamiento en XLPE o EPR, trae comoconsecuencia requisitos especiales tales como:

• Los cables deben tener gran capacidad detransportar energía con el uso limitado de espacioen trincheras o ductos.

• La seguridad, confiabilidad y la vida útil de los cablesen servicio debe ser alta.

• Los cables para media y alta tensión deben presentarla máxima resistencia a la formación de "arbo-rescencias", que son una degradación molecular delaislamiento sólido, bajo altos esfuerzos de tensióndebido al campo eléctrico y a la presencia de hume-dad interna causada por el proceso de reticulado.Se denomina "arborescencias" porque el camino dedegradación tiene la forma de la rama de un árbol.

• Los cables deben ser económicos, fáciles de instalary con mínimos costos posibles de mantenimiento.

Para lograr lo anterior los fabricantes de materias primashan desarrollado nuevos compuestos y simultáneamentela industria ha innovado los procesos, dentro de los quese destacan los tipos de reticulado o curado en seco.CABLES DE ENERGIA Y TELECOMUNICACIONES S.A.

Dirección y Coordinación:Departamento de Mercadeo CENTELSA

Información y Especificaciones:Gerencia Técnica CENTELSA

Diseño y Diagramación:

Cables para Media y Alta Tensión

Proceso de Reticulado

Curado en Vapor

Curado en Seco o Dry Cure

Formación de Arborescencias

Principales característicasdel Curado en Seco

Aspectos básicos de un sistemade curado en seco por radiaciónde calor

Curado en Seco en CENTELSA

CONTENIDOCONTENIDO2-4

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CABLES PARA MEDIAY ALTA TENSIÓNCON AISLAMIENTOCURADO EN SECO

CABLES PARA MEDIAY ALTA TENSIÓNCON AISLAMIENTOCURADO EN SECO

Boletín Técnico

Cables para Media y Alta Tensión

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Los cables para media o alta tensión están conformados básicamente por un conductor quepuede ser de cobre, aluminio o aluminio recubierto de cobre; un blindaje o pantalla del conductoren XLPE semiconductor; el aislamiento en XLPE o EPR; un blindaje o pantalla del aislamientoen XLPE semiconductor; pantalla metálica en cinta o hilos de cobre y chaqueta exterior de PVCo PE (ver figura 1).

Los primeros cables de potencia para media (5 a 46 kV) y alta tensión (69 kV y mayores) conaislamiento plástico fueron construidos con cintas semiconductoras aplicadas helicoidalmentesobre el conductor, un aislamiento de polietileno termoplástico y una cinta semiconductoratambién aplicada helicoidalmente sobre el aislamiento. Posteriormente el aislamiento termoplásticofue reemplazado por polietileno reticulado o vulcanizado, para lograr unas mejores característicastérmicas y mecánicas, y adicionalmente para pasar de una máxima temperatura de operaciónen el conductor de 75°C a 90°C.

La cinta semiconductora aplicada sobre el conductor se reemplazó por un material extruídocomo el aislamiento con un contenido de negro de humo que efectuara de forma adecuada latransición entre el conductor y el aislamiento. Así se dio paso al proceso de doble extrusión (verfigura 2): la capa semiconductora sobre el conductor y el aislamiento se aplicaban en un solopaso; se vulcanizaban en una línea CV (continuous vulcanization) de vulcanización continua avapor y después se aplicaba la cinta semiconductora sobre el aislamiento.

Posteriormente, en reemplazo de la cinta, se desarrolló un compuesto semiconductor termoplásticoel cual podía ser extruído sobre el aislamiento en un paso adicional.

Figura 1. Diseño básico de un cable para media o alta tensión

Chaqueta

Pantalla metálica

Blindaje del aislamiento

Aislamiento

Blindaje del conductor

Conductor

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Cuando estuvo disponible un compuesto apto para ser aplicado y vulcanizado sobre elaislamiento, aparece el concepto de triple extrusión en tándem, es decir, se aplicaba la primeracapa semiconductora con una extrusora independiente y luego se aplicaban el aislamiento yla segunda capa semiconductora en una extrusión doble, para inmediatamente entrar a la líneade curado o vulcanizado (ver figura 3).

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Figura 2. Diagrama del proceso de doble extrusión

Compuestos de primerasemiconductora y de aislamiento

Conductor

Aislamiento

Blindaje delconductor

Figura 3. Diagrama del proceso de triple extrusión en tándem

Compuesto de primerasemiconductora

Compuestos deaislamiento y segunda

semiconductora

Blindaje delaislamiento

Aislamiento

Conductor

Blindaje delconductor

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El proceso de aplicación de las tres capas que actualmente está más difundido es el de tripleextrusión simultánea (true triple extrusion) (ver figura 4), en el que las tres capas se aplicande forma simultánea para pasar a la línea de vulcanización.

Simultáneo a este desarrollo de los procesos de fabricación, los materiales del aislamiento yde las capas semiconductoras han ido evolucionando, en especial el material de aislamiento,para minimizar los contaminantes y hacerlo resistente a las arborescencias.

Compuestos de primerasemiconductora,

aislamiento y segundasemiconductora

Conductor

Aislamiento

Blindaje delaislamiento

Blindaje delconductor

Figura 4. Diagrama del proceso de triple extrusión simultánea

Adicionalmente, en el proceso de triple extrusión simultánea, CENTELSA lleva a cabo unriguroso control de la calidad del producto. Se controla el espesor, la excentricidad y diámetrode cada una de las capas aplicadas. Esta verificación está basada en tecnología de rayos Xque garantiza la uniformidad de los parámetros dimensionales del cable terminado.

Proceso de Reticulado, Curado o VulcanizadoEn el proceso de reticulado ocurre la unión de átomos de carbono en cadenas adyacentesde polietileno, creando así el polietileno reticulado (XLPE) (ver figura 5). El reticulado mejoralas características termomecánicas del compuesto; lo anterior ocurre en condiciones especialesde temperatura a las que es sometido el material inmediatamente es extruído.

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El proceso de reticulado ocurre debido a la estructura química de los materiales sujetos a lavulcanización y al calor que se les aplica, inmediatamente han sido extruídos sobre el conductor.De acuerdo con el medio utilizado para aplicar el calor existen diferentes métodos: curado envapor y curado en seco.

Curado en VaporEl polietileno se retícula usando una reacción de curado por medio de peróxido. El peróxidoes premezclado en el polietileno, el cual se extruye sobre el cable, y después se retícula ovulcaniza en línea bajo condiciones de presión y temperatura. En el proceso de curado envapor, éste último se utiliza como el medio para transferir el calor. La temperatura es controladapor la presión del vapor.

Curado en Seco o Dry CureLa reacción química para el XLPE curado en seco es igual que para el curado en vapor. Sinembargo, el nitrógeno se utiliza como el medio de transferencia de calor, y la temperatura secontrola independientemente de la presión del gas, usando los calentadores eléctricos en eltubo que cura irradiando calor al XLPE. Dado que no hay vapor en contacto con el aislamientodurante el proceso de curado o reticulado, se obtiene como resultado un aislante libre dehumedad y de burbujas microscópicas.

Procesoquímico dereticulado,vulcanizado

o curado

Polietileno Termoplástico(Cadenas poliméricas sin uniones)

Polietileno Termoestable(Unión de las cadenas poliméricas)

Figura 5. Cadenas poliméricas del polietileno termoplástico y termoestable

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Formación de ArborescenciasLas arborescencias son causadas por una combinación de esfuerzo (debido al campo eléctrico)y humedad presentes en el aislamiento (XLPE), con defectos tales como vacíos, contaminantese irregularidades en la extrusión. Como la humedad facilita la formación de arborescencias,al excluir el agua totalmente en el proceso se elimina este fenómeno indeseado.

La humedad puede estar presente en el aislamiento de XLPE a partir del proceso de fabricación,una pequeña parte se produce como subproducto de la reacción de vulcanizado o reticulado,una cantidad considerable se introduce durante el proceso de curado en vapor, mientras quela cantidad de humedad que se introduce en el proceso de enfriamiento del XLPE ya solidificadoes insignificante.

El nivel de humedad, especialmente en cables curados en vapor, tiende a disminuir con eltiempo. Esto puede verse en aislamientos recién curados al vapor y se presenta en forma deun "anillo opaco en forma de halo" el cual puede verse al hacer un corte transversal delaislamiento. Este anillo opaco desaparece rápidamente en contacto con el aire y sólo sepresenta en cables recién fabricados.

Principales características del Curado en SecoHay varias características de los sistemas de curado en seco sobre los sistemas de curadoen vapor:

• Se obtienen cables sin burbujas microscópicas (ver figura 6).

• Se presenta un óptimo comportamiento con respecto a las descargas parciales, alcanzandovalores mínimos, del orden de 1 a 3 Pico-Coulombs.

• Se logra un mayor esfuerzo a la ruptura por campo eléctrico en el aislamiento (50 a 70 kV/mmpara curado en seco y 15 a 20 kV/mm para curado en vapor).

• El contenido de humedad en el aislamiento es mínimo o nulo, con lo cual se disminuyesustancialmente la formación de arborescencias.

• La vida útil de un cable de media o alta tensión con curado en seco es significativamentemayor que con curado en vapor.

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• Puesto que el control de la temperatura con vapor se relaciona directamente con la presión,a mayor temperatura, mayor presión. En los sistemas de curado con nitrógeno, la temperaturay la presión son independientes, permitiendo curados con una presión baja y una temperaturaalta.

• El consumo energético para producir nitrógeno con alta temperatura es mucho menor queel requerido para producir vapor a alta presión; dado que la mayor parte del nitrógeno serecicla, conservando su calor residual.

• Las velocidades de reticulado para curado en seco pueden llegar a ser aproximadamenteel doble que para curado en vapor, debido a que en el primer sistema se puede calentarel nitrógeno sin elevar la presión, mientras que en el segundo, la temperatura del vapor nose puede elevar demasiado, ya que los valores de presión sobrepasarían los permitidos paraun proceso adecuado.

Algunos requerimientos de los sistemas de curado en seco son:

• La longitud total de la catenaria es mayor para el curado en seco que para el curado en vapor;longitudes típicas son del orden de 120 m y 90 m respectivamente.

• La inversión para los equipos de producción es mayor para el sistema de curado en seco.

• Se requiere de una alimentación de energía de alta calidad ya que el desperdicio porinterrupciones es alto.

• El proceso de arranque es mucho más complejo que en un sistema de curado en vapor.

Figura 6. Vista al microscopio de una sección de aislamiento de un cable de media o alta tensión

CURADO EN VAPOR CURADO EN SECO

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Aspectos básicos de un sistema de curado en secopor radiación de calorLa figura 7 es el diagrama de una línea de curado en seco con nitrógeno por radiación de calor,en donde se muestra, después de la triple extrusión, la zona de calentamiento por calor irradiado(el tubo es usado como medio de calentamiento), la zona de transición en donde se continúala atmósfera de nitrógeno, pero a menor temperatura, para iniciar luego el enfriamiento poragua a temperaturas inferiores a 80°C, lo que garantiza que no se forme vapor de agua duranteel enfriamiento.

Zona de Calentamiento

El tubo es calentado hasta la temperatura máxima usando directamente el tubo como resistenciaeléctrica ó calentadores externos.

El rango de temperaturas es de 240°C a 500°C, siendo esta última metalúrgicamente considerada,como la máxima permitida para un tubo de acero inoxidable.

La superficie del cable alcanza un rango normal de 280°C a 320°C.

El tubo tiene diferentes etapas y es posible regular la temperatura de cada etapa para optimizarla velocidad del cable.

Temperatura superficial del cable: Es importante garantizar que la temperatura superficialno sobrepase los valores máximos permitidos para cada material, dada la estabilidad térmicade los polímeros, los cuales se descomponen a diferentes temperaturas, lo anterior se garantizapor medio de un preciso control de temperatura del nitrógeno.

Condiciones de operación del nitrógeno:

Presión: 8 – 16 kg/cm2.Flujo: 2 – 3 m3/min.

Zona de Pre-enfriamiento ó Transición

En esta zona se mantiene el nitrógeno a 80°C y es la clave en la calidad del cable (redondez,porosidad, etc.) para bajar la temperatura del cable entre 100°C y 120°C.

Lo anterior se logra mediante la circulación de nitrógeno a través de un intercambiador paracontrolar la temperatura del gas; sin esto el cable entraría en la zona de enfriamiento a 200°Cy al contacto con el agua de enfriamiento se formaría vapor.

Zona de Enfriamiento

La última zona es un tubo de enfriamiento con agua y funciona similar al caso del vapor,solamente que su longitud se diseña para que el cable salga del tubo a una máxima temperaturade 60°C.

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Figura 7. Línea de curado en secopor radiación de calor.

Zona deEnfriamiento

Tanque y Bombas

Carrete

Conductor

Carrete

Cable aislado

GASN2

Control Dimensionaly de Centrado por

Rayos X

3. Semiconductora Exterior

2. Aislamiento

TRIPLE EXTRUSIÓN1. Semiconductora Interior

Zona de Transición

Zona deCalentamiento

Refrigeración N2

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En las figuras 8 y 9, se observa un corte transversal de la zona de calentamiento para lossistemas de curado en vapor y en seco. Mientras que en el sistema a vapor, el calor esproporcionado por una caldera, en el sistema en seco, el calor es proporcionado o irradiadoa través del mismo tubo, por medio de los elementos calentadores o resistencias, de ahí lamayor complejidad de esta parte de la línea de vulcanización.

Figura 9. Tubo para curado en seco por radiación de calor (corte transversal)

Figura 8. Tubo para curado en vapor (corte transversal)

Cable(Triple extrusión)

Vapor de agua

Tubo

Aislante térmico

Coraza externa

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Cable(Triple extrusión)

Gas N2

Tubo

Resistencias

Reflector

Cerámica

Aislante térmico

Coraza externa

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Planta y Oficina de VentasCalle 10 No. 38-43 Urb. Industrial Acopi, Yumbo, Colombia

Tel.: (572) 664 4556 / Fax: (572) 664 8258http://www.centelsa.com.co / e-mail: sales@centelsa.com.co

Curado en Seco en CENTELSACENTELSA tiene en operación el sistema de triple extrusión simultánea desde hace variosaños.

Para seguir en un continuo avance tecnológico, ha instalado una línea de curado en seco connitrógeno por radiación de calor, con el fin de dar una respuesta a las necesidades de susclientes en cuanto a eficiencia, calidad y capacidad de producción de cables de media y altatensión.

Las especificaciones de las materias primas son detalladamente elaboradas con el fin de quese encuentren de acuerdo con las tecnologías avanzadas para los procesos descritos.

Adicionalmente, CENTELSA cuenta con laboratorios de pruebas especialmente aptos paraverificar el cumplimiento de los más altos estándares de calidad para cables de media y altatensión como UL, ICEA, AEIC, IEC y NTC-ICONTEC entre otros. Las principales pruebasrealizadas a los cables de media y alta tensión son:

• Pruebas dimensionales• Pruebas físicas y de envejecimiento acelerado de los componentes extruidos• Resistencia eléctrica del conductor y de las pantallas• Resistencia del aislamiento• Prueba de descargas parciales• Prueba de factor de potencia y tangente delta• Voltaje aplicado

Lo anterior ha permitido aCENTELSA contar concertificaciones para Cablesde Media Tensión de 5 kVa 35 kV (MV-90) de enti-dades como UnderwritersLaboratories bajo la NormaUL 1072; del ICONTEC,bajo las normas NTC 2186e ICEA S-66-524 y delCIDET.Conformidad con NormaAEIC CS8-00 por labo-rator ios CTL (CableTechnology Laboratorios,Inc, U.S.A).

Laboratorio para pruebas de alta tensión.Jaula de Faraday CENTELSA.

Nodormirsesobre loslaureles

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Nodormirsesobre loslaurelesEn el pasado

nuestro sistema

de calidad para la

fabricación de cables

para energía

y telecomunicaciones

fue reconocido

con la certificación

ISO 9002/94.

Hoy, ICONTEC

nos ha otorgado

la certificación

ISO 9001:2000,

cumpliendo con

las nuevas exigencias

de esta norma

y ratificando así

que en CENTELSA

la búsqueda

de la excelencia

no se detiene.

Certificado No. 002-1

Norma ISO 9002/94

Certificado No. 002-1

Norma ISO 9001:2000

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