Estudio y simulación de imperfecciones en el aislamiento de cables eléctricos aislados de alta tensión

Abstract

Históricamente, los inicios de la electricidad se han basado en los sistemas de corriente continua (DC), pero la falta de transformación y transporte fomentó el uso e instalación de la corriente alterna (AC). Pero no fue sino hasta la segunda mitad del siglo XX con la investigación con semiconductores que permitió el desarrollo de la electrónica de potencia y con ello el poder convertir la corriente continua en alterna y viceversa. De esta forma se comenzó a utilizar esta tecnología en lugares donde se presentaban ventajas en comparación con otras que no eran técnicamente o económicamente viables, como la transmisión de energía a largas distancias, la transmisión de potencia en entornos marinos o subterráneos y la interconexión de sistemas vecinos a distintas frecuencias. Para poder realizar la distribución a muy largas distancias, es necesario el desarrollo de los sistemas de transporte a altas tensiones, llamada HVDC. Actualmente, es relevante el crecimiento de los sistemas HVDC debido a las nuevas necesidades de generación de energía eléctrica que requiere la adaptación de nuevas fuentes de energía como los sistemas aislados de conexión (estaciones petroleras, parques eólicos en el altamar, sistemas insulares, etc.) localizados en la mayoría de las ocasiones a distancias muy largas de los centros de consumo. A día de hoy, las razones para elegir un sistema de transmisión en corriente continua en lugar de uno en corriente alterna suelen ser numerosas y complejas, se debe de tener en cuenta aspectos tanto, técnicos, económicos o medioambientales. La energía eléctrica que es producida por los centros de generación y transportada hacia los centros de consumo es en la mayoría transportado por cables eléctricos, de conductor desnudo (aéreo) o aislado (en tierra), estos cables eléctricos están compuestos principalmente por un conductor, aislamiento y una cubierta protectora. El objetivo principal del presente trabajo de investigación ha consistido en profundizar en el estudio del material dieléctrico de cables eléctricos, siendo un punto de referencia principal, ya que éste tiene la misión de proteger el cable de agresiones tanto de origen eléctrico como mecánico al cable. El aislamiento de los cables eléctricos requiere un alto nivel de fiabilidad, ya que debido a la aparición de diferentes defectos en él, pueden mermar la vida útil de los cables en su calidad, en el funcionamiento y con el tiempo provocar fallos graves. Dado los distintos tipos de defectos que pueden aparecer en los cables eléctricos aislados, se ha centrado en los más graves como son las protuberancias, que pueden afectar principalmente las capas semiconductoras provocando un aumento de campo eléctrico en el cable y las cavidades, huecos rellenos de aire que son puntos débiles que pueden aparecer en toda la sección del aislamiento. Con el fin de optimizar los defectos en cables HVDC y HVAC, se proponen distintas fórmulas de detección de fallos por protuberancias y cavidades de distinto tamaño y forma. Dada la complejidad de estudio en algunos de los casos de defectos en el aislamiento del cable, se ha desarrollado e implementado para su ayuda una herramienta gráfica de simulación muy útil y de fácil manejo, la cual utiliza el método de elementos finitos para el análisis de protuberancias y vacuolas, tanto en corriente alterna (AC) como en corriente continua (DC). Además, esta herramienta permite optimizar el diseño de cables eléctricos previos a su fabricación. Como aplicación práctica del estudio del aislamiento de cables eléctricos, se ha llevado a cabo una caracterización de distintos materiales dieléctricos empleados en la fabricación de cables, proporcionados para su estudio por la empresa española General Cable; dichas muestras están fuertemente afectadas por la temperatura y el campo eléctrico. De dicha caracterización se han obtenido los coeficientes propios de cada material.