Universidad de Concepcin

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Elctrica

PROYECTO:

AISLACIN DE CABLES EN

ALTA TENSIN.

Alumna:Lorena Flores C.

Alfred Ramrez H.

Francisco Silva G.

Docente:Hugo Opazo

Asignatura:Materiales elctricos.

Fecha de Entrega:Viernes 05 de julio del 2013.

ndice

1ndice12Introduccin.23Tipos de Aislantes.33.1Aislamiento de papel impregnado.33.2Aislamiento tipo seco.43.2.1Cloruro de Polivinilo (PVC)43.2.2Polietileno (PE)53.2.3Tela barnizada y Tela de vidrio barnizada.63.3Aislamiento por gas64Polmeros.74.1Polietileno.84.2Polietileno Reticulado (XLPE)144.2.1Formas de Inducir el Reticulado del PE165Propiedades Polietileno Reticulado (XLPE)195.1Propiedades Mecnicas195.2Propiedades Trmicas.195.3Propiedades Elctricas.216Tree Retardant Cross-Linked Polyethylene (TR-XLPE)227Estructura del cable.248Conclusiones259Referencias.2610Bibliografa.26

Introduccin.

A finales de 1894 el fsico de origen serbio Nikola Tesla, reconocido como uno de los mas grandes ingenieros elctricos fundaba los cimientos de la distribucin de energa AC que repercutiran hasta la poca moderna basndose en el principio de elevar la tensin para minimizar las perdidas de energa asociadas a la lnea, pudiendo cubrir grandes distancias. Con el pasar de los aos se hizo evidente el problema de aislar las lneas debido a la los nuevos proyectos que se vislumbraban, as entonces se concibe el concepto de cables para alta tensin. As fue como se utilizaron diversos materiales como desde papel impregnado, gomas hasta la poca moderna en la que surgieron los polmeros aislantes. Con ello surgen materiales como el PVC, PE, HDPE, XLPE.

Los materiales aislantes elctricos tienen como fin protegen fsicamente a los conductores, proveen un margen de seguridad y aislar galvnicamente el conductor de su entorno. Estos en la prctica resultan ser polmeros naturales o sintticos, del cual dependern los niveles de tensin de aislacin, temperatura de servicio y resistencia mecnica entre otras propiedades deseadas.

Hasta los 90s, los cables de transmisin definidos para voltajes sobre los 46 KV, eran tradicionalmente aislados con papel de aceite impregnado. Con la aplicacin de materiales polimricos sintticos, el Polietileno Extruido fue trabajado hasta conseguir el Polietileno Extruido de enlace cruzado (XLPE). Estos polmeros fueron desplazando gradualmente al papel de aceite impregnado para lneas de transmisin con voltajes por sobre los 230 KV.

Para cables de transmisin, el polmero por excelencia es el XLPE, esto debido al fcil procesamiento y manejo del material aun cuando el papel de aceite impregnado fuese un material con una gran historia de uso y gran cantidad de informacin sobre l.En los 80s, una variacin del papel impregnado fue creada para cables de transmisin de voltajes sobre los 230 KV, siendo este material una laminacin de papel y polipropileno (PPP o PPLP).

Tipos de Aislantes.

Existen 3 clases de aislacin utilizadas en cables de energa, estos son:

Aislamiento de papel impregnado. Aislamiento tipo seco. Aislamiento por gas.

Aislamiento de papel impregnado.

El papel impregnado fue uno de los primeros materiales utilizados para el aislamiento de los cables para la transmisin de la energa elctrica, antiguamente fue el aislador ms empleado debido a su confiabilidad y economa.El papel utilizado se obtiene de pulpa de madera, con celulosa de fibra larga pura que se extrae de maderas nrdicas. El cable aislado con papel sin humedad se impregna con una sustancia para mejorar las caractersticas del aislante [1]. La sustancia utilizada para impregnar el papel debe ser un fluido dielctrico, comnmente se emplean:

Aceite viscoso. Aceite viscoso con resinas refinadas. Aceite viscoso con polmeros de hidrocarburos. Aceite de baja viscosidad. Parafinas microcristalinas del petrleo.

El compuesto impregnante debe ocupar todos los intersticios, eliminando as todas las burbujas de aire en el papel con lo cual se evita la ioniacin de servicio.

Figura 1: Cable aislado con papel impregnado.

Sus principales caractersticas son: Alta rigidez dielctrica. Bajas prdidas dielctricas. Resistencia elevada a las descargas parciales (ionizacin). Posee buenas caractersticas trmicas.

Una de sus principales desventajas es que es muy higroscpico, lo cual hace que el material deteriore considerablemente sus cualidades dielctricas. Es para evitar lo anterior que el papel debe secarse completamente durante la fabricacin del cable y protegerse con un forro hermtico.

Aislamiento tipo seco.

Los aislamientos tipo seco son compuestos cuya resina base se obtiene de la polimerizacin de determinados hidrocarburos [1]. Se clasifican en dos tipos, los cuales dependen de la respuesta que presentan ante el calor, estos son:

i. Termoplsticos: La plasticidad de estos materiales permite darle la forma requerida al ser calentados, y una vez enfriados mantienen la forma dada en caliente. Estos materiales conservan sus propiedades iniciales al ser enfriados.ii. Termofijos: Estos materiales mantienen la forma dada inicialmente, independiente del calor que se les aplique.

Algunos de los principales aislantes tipo seco son descritos a continuacin.

Cloruro de Polivinilo (PVC)

Este material se obtiene al hacer reaccionar el etileno o el acetileno con cloro o con cido clorhdrico. Sin embargo, deben agregarse ciertos aditivos plastificantes de difcil volatilidad, estabilizadores y otros productos para obtener el aislante, ya que el PVC al natural no es trmicamente estable, se endurece y se vuelve quebradizo a temperatura de servicio.El PVC es ampliamente utilizado en cables de baja tensin debido a su bajo costo. Puede soportar temperaturas de entre 60 y 105 C en operacin normal al ser mezclado adecuadamente. Adems debido a ciertas caractersticas que posee es un aislante adecuado para ambientes hmedos.Sin embargo, como el objetivo de este trabajo es investigar aislantes utilizados en Alta Tensin, y el PVC es ampliamente utilizado en Baja Tensin, no se realizar un anlisis ms exhaustivo de este.

Polietileno (PE)

El descubrimiento del polietileno en 1941 trajo consigo un gran cambio en la aislacin de los cables de transmisin y distribucin de energa elctrica.El polietileno tiene excelentes propiedades elctricas, as como una buena resistencia a la abrasin y a los solventes. Este material es ampliamente utilizado como aislante de cables y alambres.En base al PE se construyen diferentes materiales que sirven como aislantes, tales como: XLPE (Polietileno Reticulado), LDPE (Polietileno de baja densidad), LLDPE (Polietileno lineal de baja densidad), HDPE (Polietileno lineal de alta densidad) y MDPE (Polietileno lineal de media densidad). Posteriormente en el desarrollo del presente trabajo se realizar un anlisis ms exhaustivo de las propiedades, caractersticas y composicin del PE, ya que como se mencion en el prrafo anterior es en base a este material que se genera el XLPE el cual es uno de los aislantes ms utilizados en Alta Tensin, debido a que posee muy buenas caractersticas elctricas (al igual que el PE) y adems posee buenas caractersticas mecnicas, lo cual lo hace uno de los mejores aislantes utilizados en Alta Tensin.

Figura 2: Cable aislado con XLPE.

Tela barnizada y Tela de vidrio barnizada.

Este aislante es construido en base a una tela de algodn o tela de vidrio cubierta con varias capaz de barniz. Entre cada capa de aislacin hay una sustancia lubricante de alta viscosidad. Este tipo de aislacin es de menor calidad que la de papel impregnado, pero se utiliza en algunos casos en que la gravedad pueda tener efecto sobre la aislacin de papel impregnado haciendo que el aceite se escurra. Este aislante hoy en da es muy poco utilizado, y adems su uso es mayoritariamente en Media y Baja Tensin.

Aislamiento por gas

El gas utilizado en este tipo de aislador es el Hexafluoruro de Azfre. El hexafluoruro de azufre es un compuesto inorgnico, cuya frmula qumica es SF6. Es un gas que posee una alta capacidad para extinguir el arco elctrico y tambin es un muy buen aislante. Por estas razones es ampliamente utilizado en equipos elctricos de alta tensin [2]. Este tipo de aislacin puede ser utilizada en cables de Extra Alta Tensin. Sin embargo, el estudio del presente trabajo no se enfocar en este tipo de aislacin.

Figura 3: Implementacin Aislacin por gas.

Polmeros.

Un polmero es una sustancia compuesta por molculas, las cuales se caracterizan por ser mltiples repeticiones de una o ms especies de tomos o grupos de tomos; estos se encuentran unidos a una cantidad suficientemente grande de otros tomos, tanto es as que la adicin o remocin de una o unas pocas de estas unidades repetitivas no ocasiona que las propiedades de la molcula varen.En otras palabras, un polmero es una molcula muy grande (macromolcula), la cual se forma por la unin consecutiva de varias molculas pequeas, llamadas Monmeros. La unin de los monmeros para formar un polmero se traduce en una larga cadena, la cual puede ser lineal, ramificada y de enlace cruzado.

Figura 4: Representacin de un polmero. (Celulosa).

Existen dos tipos de polmeros, estos son:i. Homopolmeros: Son aquellos en los cuales la molcula est compuesta por una sola clase de monmero.ii. Copolmeros: La molcula de un copolmero est compuesta por ms de una clase de monmero.

Las propiedades elctricas que poseen los polmeros, han permitido que estos sean ampliamente utilizados como aislantes elctricos. Y han reemplazado en gran medida al aislamiento por papel impregnado que antiguamente era ampliamente utilizado.

Polietileno.

El polietileno es un polmero de hidrocarburo, lo cual quiere decir que est compuesto nicamente por carbono e hidrogeno. Adems, es un homopolmero, y su monmero base es el etileno (Figura 5), el cual a su vez proviene del gas etano.

Figura 5: Representacin del Monmero de Etileno.

El polietileno es parte de la clase de polmeros conocidos como poliolefinas o polialquenos, los cuales son todos los polmeros que se obtienen mediante la polimerizacin de alquenos.Un alqueno es un hidrocarburo insaturado que tiene uno o varios enlace C=C en su molcula.

El origen del polietileno, como se conoce hoy en da, se remonta a la dcada de los aos 30, donde cientficos britnicos estaban experimentando con el efecto de aplicarle altas presiones a los gases, en este caso, el gas etano. La presin utilizada fue de 15 veces la presin atmosfrica y a una temperatura de 170 C, el resultado fue una sustancia de alta viscosidad y color blanquecino, al cual se le dio el nombre de polietileno debido a su composicin qumica [3].Sin embargo, luego de muchas investigaciones se descubri, en la dcada de los 50, que una manera de polimerizar el polietileno sin la necesidad de aplicar altas presiones es aplicando un catalizador. Hoy en da esa es la manera que se utiliza para la obtencin del polietileno.

Es en el proceso de fabricacin del polietileno en el cual se controla la estructura qumica exacta que se le desea dar, lo cual controla las propiedades que va a tener el material obtenido. En la Figura 6 se muestra un diagrama que nos indica la forma de obtencin del polietileno, y el proceso se describe a continuacin:1. Purificacin de Materias Primas: En esta etapa se toma el etileno y se purifica, es decir se eliminan los contaminantes que pueda tener este, y los cuales pueden afectar el proceso de obtencin de polietileno.

2. Reaccin: En esta etapa de adiciona el catalizador. En caso de querer obtener Polietileno de baja densidad se aplican altas presiones en lugar de un catalizador.

3. Separacin de Monmero: En esta etapa se separan restos de monmeros que no componen el polmero, y que pueden ser separados con facilidad. En esta etapa se pueden reciclar los monmeros que puedan ser parte nuevamente de la reaccin o pueden ser desechados.

4. Desgasar o desvolatilizar: En esta etapa se extrae los restos de monmero o disolvente que pudieron haber quedado atrapados en el polmero.

5. Seccin de acabado: En esta etapa se termina de crear el polietileno dndole las propiedades finales.

Figura 6: Proceso de formacin del Polietileno.

Una manera ms didctica de ver el proceso es la que se muestra en la Figura 7, en la cual se observa primeramente que el Gas Etileno se produce luego de aplicarle calor al Etano. Y luego de obtenido el Gas Etileno a este se le adhiere un agente Perxido Catalizador (el proceso ser descrito ms adelante), y adems es sometido a altos valores de presin y temperatura obteniendo as finalmente el Polietileno.

Figura 7: Representacin esquemtica del proceso de obtencin del Polietileno.

En la Figura 8 se muestra qumicamente como est compuesto el polietileno, y en la Figura 9 se pueden apreciar cadenas de polietileno en diferentes vistas.

Figura 8: Composicin qumica del Polietileno a partir de la Polimerizacin de Etileno.

Figura 9: Representacin de Cadenas de Polietileno.

Como se puede apreciar en la Figura 9, las cadenas del polmero se encuentran distribuidas en zig-zag, debido a esta distribucin se tiene que los ngulos de enlace entre los diferentes brazos del Polietileno es de 109,5 , esto se puede apreciar con mayor detalle en la Figura 10.

Figura 10: Representacin de los ngulos de Enlace del Polietileno.

El largo de la cadena es de importancia, debido a que este est directamente relacionado con el peso molecular del polmero. Mientras ms larga la cadena del polmero, mayor es su peso molecular (posee ms monmeros de etileno). El polietileno, por tanto, est compuesto de diversas cadenas de polmeros, cada una de estas cadenas posee distintos pesos moleculares (distintos largos), por lo cual se tiene diferentes distribuciones de peso molecular, esto es lo que caracteriza el polietileno. Generalmente se considera que mientras mayor es el peso molecular del polmero, sus propiedades en general son mejores.

Las cadenas de polmeros no son siempre lineales como las mostradas en las Figuras 7 y 8. Cuando el polietileno es fabricado, el proceso siempre lleva consigo la generacin de cadenas laterales que cuelgan a los lados de la larga cadena principal, las cuales son llamadas ramificaciones de la cadena. Estas ramificaciones generan un aumento en el peso molecular del polmero, sin aumentar el largo de esta.

La longitud y distribucin de las ramificaciones afectan las propiedades fsicas del polietileno. Adems afecta la habilidad de cristalizacin de este. Sin embargo, las ramificaciones no tienen mayor efecto en las propiedades elctricas del polietileno.

A partir de lo anterior es fcil darse cuenta que pueden existir dos cadenas de polmeros que posean igual peso molecular pero distinto largo, en otras palabras, una cadena larga con pocas o ninguna ramificacin puede tener el mismo peso molecular que una cadena corta y con hartas ramificaciones (largas y/o cortas). Estas dos cadenas, a pesar de estar compuestas a partir de los mismos tomos, tienen diferentes propiedades.

Como se mencion adems, el polietileno no es lineal, debido a las ramificaciones, y son estas mismas las que hacen a su vez que el polmero tenga la tendencia a enrollarse y a su vez a enredarse con otras cadenas de polmeros. Esto ltimo permite mejorar sus propiedades mecnicas, pero no as las cualidades que hacen al polietileno resistente a la penetracin del vapor de agua. Las propiedades elctricas sin embargo se mantienen invariantes.

Figura 11: Ramificaciones posibles en las cadenas de Polietileno.

La cristalinidad del polietileno, nos entrega un camino para describir las caractersticas de aislante del polietileno. El polietileno es conocido como un polmero semicristalino. Esta caracterstica proviene del hecho de que el polietileno, adems de tener la tendencia a enrollarse con otras cadenas de polmero, tambin tiene la tendencia a alinearse con otras cadenas.

Las porciones de la cadena que se alinean no pueden enrollarse, se dice que estas porciones de cadena son cristalinas. Las otras porciones de cadena, es decir, las que pueden enrollarse pero no alinearse, son llamadas amorfas.

Figura 12: Diferentes configuraciones del polmero.

Notar que el alineamiento de una cadena con otra no tiene ninguna relacin con el peso molecular del polmero. En base a esto, se pueden tener distintos tipos de polietileno, estos son:

De alta densidad y alto peso molecular. De alta densidad y bajo peso molecular. De baja densidad y alto peso molecular. De baja densidad y bajo peso molecular.

La regin cristalina es la que le da al polietileno muchas de sus buenas propiedades tales como la dureza, un alto mdulo de resistencia y su resistencia a la penetracin de la humedad y del gas. La alineacin de la cadena tambin significa aumentar la densidad del polmero, debido a que se produce un estrechamiento de la cadena y hay un menor espacio para que se genere regiones amorfas. Las regiones amorfas aumentan la ductilidad, flexibilidad y tambin facilitan el procesamiento del polmero.

Las ramificaciones de la cadena afectan directamente el proceso de cristalizacin del polmero, mientras ms ramificaciones tengan las cadenas menos posibilidad tienen de acercarse unas a otras y, por lo tanto, de cristalizarse. Esto afecta tambin directamente la densidad del polietileno, un incremento en la densidad implica que existe un mayor grado de alineamiento entre las cadenas (menos ramificaciones), y por lo tanto mayor masa por unidad de volumen. Este fenmeno nos permite clasificar al polietileno en cuatro categoras, (Figura 11):

Baja Densidad. Media Densidad. Alta Densidad. Lineal de Baja Densidad.

La cristalinidad casi no se ve afectada cuando se transforman los grnulos de polmero en aislantes de cables. Adems, el hecho de que el polietileno sea semicristalino, y de que por ello existan zonas amorfas, es lo que permite que el material pueda ser extruido para formar el aislante de cables.

Una de las propiedades de los polmeros semicristalinos, que es muy importante para las aplicaciones en cables, es que la regin cristalina tiene la tendencia a separarse con los incrementos de temperatura. Como las cadenas se separan, se produce el efecto de que las regiones cristalinas pasan a convertirse en regiones amorfas. La expansin en las cadenas del polmero se traduce en expansin trmica del material. Este proceso de fundicin ocurre para un amplio rango de temperatura debido al hecho de que diferentes regiones de cristalinas tienen diferentes grados de perfeccin. La relacin cristalino/amorfo cambia mientras el cable se mantiene trabajando. Cables operando a 60C tienen mayor cantidad de regiones amorfas que un cable operando a 30C. Este proceso de separacin de las cadenas provoca cambios en las propiedades fsicas del material (resistencia a la tensin, elongacin, mdulo de elasticidad) y tambin una reduccin de sus propiedades dielctricas. Un cable operando a 110C ya casi no posee zonas cristalinas. Cuando el cable es expuesto a sobrecargas de 130C o mayores y luego es enfriado, las zonas cristalinas de regeneran, y las propiedades fsicas y elctricas vuelven a estar cercanas a las originales.

Polietileno Reticulado (XLPE)

El reticulado es el proceso de unir diferentes cadenas de polietileno a travs de reacciones qumicas. Como ya se dijo, el Polietileno son cadenas separadas de diferentes medidas. Por lo cual, el XLPE puede ser considerado como un PE ramificado donde el final de cada ramificacin es conectado a otra cadena de polietileno, en lugar de dejarla libremente colgando de la cadena principal (Figura 13).

a)b)

Figura 13: a) Cadena de PE con ramificaciones, b) Cadena de XLPE.

Figura 14: Composicin qumica PE y XLPE.

El polietileno reticulado proporcionas ciertas propiedades deseables en cuanto a la perspectiva de aislante de cables, una de ellas es que ante elevadas temperaturas el XLPE mantiene una forma estable. Es otras palabras, al aplicar altas temperaturas las cadenas no se alejan tanto como en el caso del PE. Otras ventajas desde el punto de vista mecnico es que el material posee mayor resistencia a la deformacin y al esfuerzo, mejora adems su resistencia a la tensin y su mdulo de elasticidad. En cuanto a las propiedades elctricas, estas prcticamente no poseen variaciones en relacin a las propiedades del PE.

Figura 15: XLPE.

En la Figura 15 se muestra el efecto que tiene el Reticulado en el peso molecular del polmero. En a) se muestran cadenas de polietileno alineadas unas con otras, luego en b) se aprecia la unin de las 2 primeras cadenas para formar XLPE, la unin produce que el peso molecular de la cadena aumente, y adems al redibujar la cadena como en c) se puede apreciar que la nueva cadena posee 2 ramificaciones.

Figura 16: Efecto del Reticulado en el Peso Molecular

En otras palabras, el proceso de reticulado es una manera de aumentar el peso molecular del polmero. Este aumento no es uniforme, ya que no todas las cadenas aumentan en la misma proporcin. Lo que s es claro que al reticular muchas cadenas de PE se pueden obtener pesos moleculares de valores muy elevados. Y como se mencion anteriormente, mientras mayor es el peso molecular del polmero, sus propiedades en general son mejores. De manera general se tiene, que propiedades como la resistencia mecnica, la elasticidad y la temperatura de fusin del material son directamente relacionadas al alto peso molecular del polmero.

Formas de Inducir el Reticulado del PE

El reticulado del polietileno puede ser inducido de diferentes maneras, entre ellas tenemos: El Uso de Perxidos Orgnicos. El Uso de Alta Energa de Radiacin. Modificando la estructura principal.

Se realizar una descripcin detallada de la primera forma de inducir el reticulado, esto es ya que este es el mtodo ms utilizado y adems porque los otros dos mtodos son principalmente para baja tensin, lo cual no es de inters para el presente trabajo.

Uso de Perxidos Orgnicos.

El Polietileno que es reticulado a travs de Perxidos contiene una pequea cantidad de agente reticulante (Perxido Orgnico) el cual es dispersado a lo largo del polmero. El Perxido Orgnico es qumicamente estable a temperatura ambiente pero se descompone a elevadas temperaturas. Existe una amplia variedad de Perxidos para generar el reticulado. Pero, el Perxido de Dicumilo es utilizado comercialmente para media y alta tensin.

El proceso de reticulado a travs de silano se utiliza comnmente para cables de Baja Tensin.

En general, los proveedores incorporan al perxido en los grnulos de polietileno. Y, cuando el polietileno es extruido (los grnulos son convertidos en aislador de cables), los restos de perxidos se mantienen estables, esto debido a que la temperatura de descomposicin del perxido es mucho ms alta que la temperatura de extrusin. Luego del proceso de extrusin, el aislante de polietileno, se encuentra rodeando al conductor y al blindaje de este y cubierto por un blindaje externo; de esta manera el cable entra en el tubo de curacin donde la temperatura es ms elevada que la temperatura empleada en la extrusin. Es a esta alta temperatura y presin, donde el perxido se descompone e induce el proceso de reticulado. Es importante notar que este proceso se lleva a cabo cuando el aislador se encuentra en estado lquido, es decir, luego de que el polmero (polietileno) es calentado a elevadas temperaturas, las cuales son suficientemente altas para que todas las regiones cristalinas se derritan y permitan que el reticulado sea inducido.

Cuando el perxido es descompuesto durante el proceso de curado, se forma un ingrediente activo llamado radical libre, el cual es muy inestable. El radical libre es tan activo que interacta con cualquier molcula cercana, para el caso, siempre interacta con las cadenas de polietileno. Este radical libre se forma cuando el perxido se divide en un componente oxigenado activo que saca un hidrgeno de la cadena del polmero. La cadena polimrica ahora se convierte en un componente activo e inestable, y dos de estas cadenas se combinan inmediatamente para formar un reticulado, estabilizando as el sistema nuevamente. Durante este proceso, el perxido descompuesto, y los tomos sacados de la cadena del polmero, generan sub-productos. Los ms importantes son el dimetil alcohol benclico, acetofenona y metano.

Para producir un buen aislador, el perxido debe estar uniformemente disperso dentro del polietileno. Para una apropiada uniformidad del reticulado, que toma lugar en el aislador del cable, la temperatura y la presin deben ser apropiadamente controladas en el proceso del tubo de curado.

El perxido incorporado en el PE se encuentra en las zonas amorfas del material, esto ya que las regiones cristalinas no pueden mantener el perxido antes del proceso de extrusin. Lo cual luego no representa un problema ya que, a las temperaturas en las que se produce el reticulado, el material es completamente amorfo, por lo cual el perxido se distribuye de manera casi completamente uniforme en el polietileno. Luego, cuando el cable es enfriado despus de la extrusin y el reticulado, se vuelve a producir la cristalizacin. Cuando esto ocurre, los sub-productos anteriormente mencionados son forzados a permanecer en la regin amorfa del polmero.

La reticulacin por perxidos es el mtodo, por excelencia, ms utilizado para cables de media y alta tensin. Entre un 70 y 80% de las cadenas de polietileno son reticuladas, esto quiere decir que cerca del 20 o 30% restante no se entrelaza.

Las propiedades fsicas y dielctricas son claramente dominadas y controladas por las regiones reticuladas del aislador. A temperaturas elevadas, el XLPE mantiene su forma, estabilidad y funciones.

Uso de alta energa de radiacin

Un haz de electrones que emana de un equipamiento especial puede interactuar con las cadenas de polmeros, lo que causa la formacin de radicales libres, lo cual forma una cadena de polmeros reactiva, la interaccin de esta cadena con otra del mismo tipo, induce el reticulado (tal cual como se describe anteriormente). El haz de electrones en este caso cumple la funcin del Perxido Orgnico Catalizador. Para estos propsitos se utiliza Istopos radioactivos tales como el Cobalto 60.

La reticulacin por radiacin involucra diferentes tecnologas de procesamiento comparado con la reticulacin por Perxido, y es principalmente empleada para aislacin en cables de Baja Tensin.

Modificacin de la estructura Principal

El tercer mtodo para inducir el reticulado es utilizando Curado por humedad. Este concepto considera el uso de qumicos orgnicos llamados silanos (los cuales estn basados en siliconas), los que reaccionan con agua. En este proceso, el reticulado tiene lugar a temperatura ambiente (pero es acelerado a altas temperaturas). Al inducir el reticulado a travs de silanos, la aislacin es modificada, es decir, ya no es un homopolmero.

Propiedades Polietileno Reticulado (XLPE)

El polietileno es muy usado en aislamientos y cubiertas de cables debido a sus excelentes propiedades elctricas y mecnicas, poco peso, buena flexibilidad a bajas temperaturas, buena resistencia a la humedad, ozono y qumicos, y adems debido a su bajo costo [4]. Sin embargo este material pertenece al grupo de los termoplsticos, lo cual no es una caracterstica deseable.

En cambio, el Polietileno Reticulado es un material termofijo y adems es muy resistente a los esfuerzos mecnicos y a la abrasin, es resistente a altas temperaturas, lo cual permite su aplicacin a temperaturas de servicio continuas de 90 C.

En la Tabla 1, se realiza una comparacin de las propiedades del Polietileno Reticulado con las del Polietileno de Baja Densidad.

Propiedades Mecnicas

Como el Polietileno Reticulado posee una estructura semicristalina, posee una buena resistencia al impacto, al rasgado y a la abrasin en el rango de temperaturas de operacin. Adems, al ser un polmero termofijo sus propiedades mecnicas no se ven mayormente afectan por las variaciones de la temperatura, esto gracias al proceso de reticulado.

Propiedades Trmicas.

Debido al proceso de reticulado el XLPE es un material muy resistente al calor, el cual si es sometido por largos tiempo a elevadas temperaturas, del orden de los 300 C o mayores, se descompone o carboniza. Adems el XLPE no tiene una tendencia al agrietamiento como el PE normal y tiene tambin una muy buena resistencia al envejecimiento producido por el contacto con el aire caliente.

Como ya se mencion el XLPE permite temperaturas de servicia a carga continua de 90 C en el conductor; y en caso de emergencia soporta temperaturas de hasta 130 C y para cortocircuitos resiste hasta los 250 C. La temperatura mnima a la cual puede ser usado es -40 C sin que se dae el material.

Tabla 1. Propiedades del XLPE y del LDPE para aislamientos y cubiertas de cables.Polietileno de baja densidad (LDPE)Polietileno Reticulado (XLPE)

Densidad0,921,1

Carga de roturaN/mm212 1814 20

Elongacin%400 600200 500

Rigidez dielctrica (1)Kv/mm2020

Resistividad volumtrica (1)mm

Factor de disipacin (1)%0,020,1

Permitividad (2)E2,33,5

Resistencia al calorC70120

Temperatura mnima de usoC-40-40

Conductividad trmicaW/mk0,30,3

Indice de oxgeno (2)1820

Propagacin de la llama (2)Esparce la llamaEsparce la llama

Productos de descomposicinHidrocarburos, xidos de carbonoHidrocarburos, xidos de carbono

Resistencia al ozonoBuenoBueno

Resistencia al clima (3)ExcelenteExcelente

Resistencia a la humedadExcelenteExcelente

Estabilidad en aceites:

a) aromticosBuenoBueno

b) alifticosBuenoBueno

Estabilidad en cidos:

a) no oxidantesBuenoBueno

b) oxidantesAceptableAceptable

1. Aplicado a los materiales de aislamiento

2. Compuesto normal

3. Relacionado con los compuestos negros

Valores a 20C

Propiedades Elctricas.

En cuanto a las propiedades elctricas, la reticulacin del PE produce solamente un pequeo cambio. Estas son, Una alta rigidez dielctrica (), un alto valor de resistividad volumtrica (no inferior a ) y un factor de potencia muy bajo (tangente delta no mayor a ) que permite el uso del XLPE para tensiones muy altas. La influencia que tiene el calor y la humedad en las propiedades dielctricas es muy pequea.

El Factor de Disipacin y el de Potencia entregan una indicacin de las prdidas en la aislacin. Existen dos maneras de medir las prdidas: el Factor de Disipacin (FP) o tangente delta (), y el Factor de Potencia (FP).Las prdidas dielctricas son una caracterstica de los materiales aislantes y no es un indicador de la calidad del aislante.

El tangente delta citado con anterioridad corresponde a la razn entre la resistencia de prdida y la reactancia capacitiva del dielctrico. Esto se ilustra en la Figura 17.

Figura 17: Forma de calcular el tangente delta para aisladores.

El XLPE, como cualquier otro tipo de aislante slido, est sujeto al deterioro causado por las corrientes de prdida producidas por el efecto corona, el cual reduce el perodo de vida til del cable. Debido a lo anterior es que los cables de media y alta tensin se construyen y ensayan sometidos a rigurosos controles, evitando as los posibles defectos que pueden permitir que ocurran descargas parciales localizadas (efecto corona), calentamiento excesivo y carbonizacin, lo que puede causar con el tiempo una posible falla.

La alta resistencia a la temperatura del XLPE justifica su uso para aislar cables por los cuales circulen altas corriente. Otra caracterstica que posee el XLPE es que presenta una mayor resistencia al fenmeno de arborescencia acuosa.

La arborescencia acuosa es un fenmeno elctrico previo a la ruptura dielctrica de un material aislante. Es un proceso destructivo, progresivo e irreversible que se produce por las descargas parciales, y que avanza dentro o en la superficie de un dielctrico cuando se lo somete a un prolongado estrs elctrico de alta tensin. Recibe el nombre de arborescencia ya que su forma sigue un patrn semejante a las ramificaciones de un rbol.

Tree Retardant Cross-Linked Polyethylene (TR-XLPE)

Numerosos han sido los intentos por mejorar el desempeo, en un comienzo, del polietileno como, posteriormente, del XLPE con respecto al fenmeno de arborescencia, en especial a la arborescencia acuosa (water treeing).

Con respecto a lo anterior, surgen tres factores claves en el retraso de la arborescencia:

Utilizar co-polimeros en lugar de polietileno homo-polimerizado Agregar aditivos retardantes al polmero Utilizar los dos mtodos anteriores combinados

Estudios previos mostraron que la utilizacin de ciertos agentes catalizadores como las acetofenomas, facilitan la arborescencia acuosa.

Histricamente, se ha utilizado Dodecanol como agente retardante de arborescencia (TR) en aislantes como el HMWPE. Pero, en los 80s la compaa qumica DOW logra producir el primer cable XLPE con retardante incorporado conocido comercialmente como TR-XLPE.

El agente retardante posee la propiedad de inmovilizar las molculas de agua cuando estas ingresan en las estructura aislante, de esta forma se logra minimizar el dao que se causa al estar sometido a un alto campo elctrico.

Modificar el XLPE en un compuesto ms hidroflico facilita el detectar y atrapar el agua para su inmovilizacin, la idea es evitar o retrasar que el agua penetre profundamente en el aislante en donde puede alcanzar lugares sometidos a un alto estrs de voltaje.

Figura 18: Fenmeno de Arborescencia en el XLPE y en el TR-XLPE.

Estructura del cable.

1 Conductor: Conductor de cobre o aluminio de forma circular formado por hebras de conductor para disminuir el efecto pelicular.2.1 blindaje del conductor: fabricado en base a polmeros similares al aislador y combinado con carbn negro para convertir el material en un semiconductor, con el fin de dar una superficie ms uniforme y disminuir el stress de voltaje.2.2 Aislante: Material Polimrico, principalmente XLPE, su funcin es proveer aislacin al conductor y evitar la circulacin de corriente entre conductor y tierra.2.3 Blindaje de aislador: Blindaje similar que 2.1 y que cumple las mismas labores.3 Sello contra agua: Sello destinado a proteger el aislador de la penetracin de humedad al interior del aislador.4 Pantalla metlica: Formado usualmente por metal laminado o conductores que se distribuyen helicoidalmente en torno al aislador con el fin de lograr una distribucin uniforme del campo elctrico.5 Chaqueta: Generalmente compuesta por PVC, PE, HDPE, LDPE, o materiales compuestos, su fin es brindar proteccin estructural al cable frente a traccin, contaminacin de agentes qumicos, humedad y otras variables ambientales propias de la aplicacin en que este inserto el cable.

Conclusiones

- Las nuevas tecnologas de aislacin apuntan a la utilizacin del XLPE como su principal material, debido a las excelentes propiedades mecnicas, dielctricas y econmicas en comparacin a otros materiales utilizados.

- Nuevas lneas de investigacin apuntan a mejorar las caractersticas mecnicas de los materiales existentes, como lo son retrasar el fenmeno de arborescencia en los aislantes, extendiendo as la vida til de ellos.

- El factor de disipacin como factor de potencia cumplen roles claves al momento de evaluar la condicin en que se encuentra la aislacin de un cable, pues utilizar nicamente mtodos como el ndice de polarizacin resultan en estudios incompletos, pudiendo aparecer fallas imprevistas al corto plazo.

-Es fundamental un estricto diseo y control de las etapas de polimerizacin, extrusin y reticulacin de los materiales aislantes, con el fin de minimizar la formacin de subproductos no deseados e incorporacin de sustancias polares, las cuales reducen las caractersticas ideales de diseo.

-Procesos de reticulado como el de alta energa de radiacin permiten minimizar la formacin de sub-productos indeseados en el XLPE, pero por su alto costo en comparacin a la reticulacin por perxido no resulta preferible en la prctica comercial.

-Cables flexibles con aislacin tipo seca son preferidos vastamente en proyectos de gran extensin en extra alta tensin (EHV) debido a la facilidad de instalacin que ofrecen en contraste a los cables rgidos aislados por gas, aceite o polvo mineral.

Referencias.

[1]Jaime Len Ojeda; Prof. gua: Hugo Opazo Mora, Elementos modernos de aislacin en sistemas elctricos, Tesis (Ingeniero Civil Elctrico), 2000.

[2]Matas Valenzuela, Franco Ortega, Diego Palma; Prof. gua: Hugo Opazo, Aislante Gaseoso Hexafluoruro de Azfre, Trabajo Materiales Elctricos, 2012.

[3]Jose Cvicos, Clara de la Cruz, Blanca Dez, Produccin del polietileno.

[4]Sixto Achuri, Apuntes generales sobre redes elctricas de distribucin. Trabajo de grado (Ingeniero Electricista), 1998.

Bibliografa.

1. Electrical Power Cable Engineering, Second Edition, Revised and Expanded