Download cigre 2009: confiabilidad de cables adss: analisis del efecto de

ERIAC – ENCUENTRO REGIONAL IBEROAMERICANO DE CIGRE
CONFIABILIDAD DE CABLES ADSS: ANALISIS DEL EFECTO DE TRACKING PARA
LA ALTA DISPONIBILIDAD EN LA TRANSMISION INTEGRADA DE DATOS, VOZ,
IMÁGENES Y REDES
Ing. Rubén Gómez
Ing. Fabián Roizen
Ing. Carlos Di Palma *
EPEN
EPEN
Tranelsa SA
Resumen
Los cables ópticos dieléctricos autosoportados (ADSS por su siglas en idioma inglés) vienen constituyéndose
parte esencial en la vinculación utilizada por los Sistemas de Comunicación Digitales del Ente Provincial de
Energía del Neuquén (EPEN), para la transmisión fiable de señales de telecomunicaciones diversas.
Algunas de éstas son: de control, supervisión y adquisición de datos de la red eléctrica (SOTR); sistemas de
medición y registro remoto de energía y potencia (SMEC, SMED); telefonía de operación y mantenimiento
(red PAX); sistemas de vigilancia y seguridad de bienes y personas (SSyV); las aplicaciones de la faz
comercial y atención de los usuarios (SGC); las aplicaciones de la faz administrativa (SGA); acceso a
recursos de la red corporativa (Intranet) y la propia telegestión de los elementos de la red, todos los que
inciden con alta sinergia tanto en la gestión del Sistema Eléctrico de Potencia en 132kV bajo su órbita como
en el funcionamiento empresario.
Acompañando las altas figuras de Disponibilidad requeridas para los servicios más críticos - siendo que esta
categoría incluye una cantidad cada vez mayor de los mismos - también el ADSS deberá contar con una alta
Confiabilidad y mínima Indisponibilidad de Servicio proyectada sobre el largo plazo. En función de ello
resulta fundamental analizar las características totales del ADSS, y en particular el efecto tracking que puede
producirse sobre la cubierta del cable por acción del campo electromagnético en que se encontrará inmerso.
Este efecto si bien no seria detectable en la etapa de puesta en servicio de los Sistemas por ser de creciente
acumulación, podría degradar la Confiabilidad del cable a medida que transcurra el tiempo de utilización del
mismo con consecuencias perniciosas sobre la transmisión de la información toda, y especialmente en la
protección de las EETT y Líneas asociadas. Trayendo a colación aquella cita que reza: “lo esencial es
invisible a los ojos1 la importancia de no pasar por alto fenómenos en curso que una vez detectados son de
difícil o imposible solución amerita la realización y consideración de este trabajo.
Palabras clave
SDH, tracking, Disponibilidad, ADSS, Teleservicios
1) Introducción
*
TRANELSA S.A. – B. DE IRIGOYEN 190, 4º PISO – (1072AAD) – Bs. As. – ARGENTINA – eett@tranelsa.com
1
Transmisión de servicios de datos, voz, imágenes y redes
Una red de telecomunicaciones es un sistema complejo basado en equipos y procedimientos, que persigue
transportar la mayor cantidad de información en un mínimo de tiempo, con la mayor confiabilidad y
disponibilidad de servicio, independientemente de la distancia y la ubicación geográfica. A partir de la
singular sinergia producida por la interacción entre las telecomunicaciones y la informática, es cada vez
mayor la interdependencia de la telemática y la industria eléctrica. Cada una necesita de la otra un grado
mayor de confiabilidad, eficiencia y eficacia.
El paradigma de la “red convergente” y “la red de nueva generación” viene ingresando con fuerza y
velocidad de despliegue en la industria eléctrica, que para su gestión utiliza y requiere volúmenes de
información en tiempo real cada vez mayores. Las tecnologías de telecomunicaciones modernas permiten
satisfacer todos estos servicios sobre una misma red. Así incluso cuando se dispone el ancho de banda
suficiente se puede aplicar el trabajo colaborativo, la tele conferencia y/o la tele capacitación. Y cuando
quedan ancho de banda o vinculaciones vacantes pueden arrendarse las mismas a terceros (generalmente
“Telcos”).
Además de una consecuente altísima confiabilidad esta conjunción de señales de fuentes diferentes y hacia
destinos distintos requiere para su eficaz transporte y conmutación tratamientos de aseguramiento de la
calidad de servicio que sólo pueden satisfacer lo necesario para cada uno en entornos de grandes velocidades
digitales, lo que realimenta la problemática de la disponibilidad, ya que se requiere la misma con bajísimos
índices de tasa de error (BER). Esto aumenta su importancia cuando se arriendan capacidades vacantes o
vínculos para la utilización de terceros, que demandan grandes velocidades de transmisión (10 Gbit, 40 Gbit
y siguiendo). Todo ello obliga a garantizar la estabilidad de funcionamiento en el largo plazo de los vínculos,
en particular los de fibra óptica.
A la vista de todo ello y en oportunidad de la obra LAT 132KV “LOMA LA LATA – EL TRAPIAL Y
ESTACIONES DE 132 KV ASOCIADAS, en la cual TRANELSA y EPEN compartieron -con diferentes
grados de incumbencia y responsabilidad- proyecto, inspección y supervisión se determinó la utilización de
cable de F.O. ADSS en un tramo de 27 km que comprende tres estaciones transformadoras.
2) Consideraciones del proyecto
Durante el desarrollo del proyecto del Sistema de Comunicaciones Digital de la obra citada se acordó la
conveniencia de la utilización de un cable óptico dieléctrico ADSS de alta prestación dando soporte a una
arquitectura de Jerarquía Digital Sincrónica (SDH). Las razones más importantes fueron las siguientes:
• las acciones de vandalismos se verían muy disminuidas respecto de cable subterráneo o en postación
propia;
• el reemplazo del hilo de guardia existente por otro que lleve en su interior un cable de F.O. (OPGW) no
habría sido posible de realizar con línea des-energizada debido al escaso tiempo de Indisponibilidad
permitido para la Línea de Alta Tensión (LAT) en servicio;
• el reemplazo del hilo de guardia existente por un cable OPGW con la línea energizada, resultaría
posible de realizar, pero con costos elevados y una alta probabilidad de incidentes que pudieran sacar la
línea de servicio, dadas las dificultades operativas y mecánicas de la disposición de estructuras de
Hormigón Armado (H°A°).
Avanzando en la selección de un cable ADSS para tendido en estructuras de H°A° de una Línea de 132kV,
diversos factores incidirían en el proyecto global, así como en las características particulares del cable óptico
y en la instalación del mismo. Principalmente fueron considerados parámetros y aspectos como :
• tipo y cantidad mínima de fibras en el cable
• longitud máxima de vano
• despejamiento mínimo del vano (altura mínima)
• condiciones del viento
• formación de manguito de hielo
• conformación de LAT (vertical)
• nivel de tensión de LAT (efecto tracking)
• topología del soporte físico (estructuración H°A°)
2
•
conformación global necesaria para el cable
La consideración simultánea de todas esas premisas de diseño, así como de los valores particulares y las
características de la LAT, determinaron la solución integral decidida. En relación con los principales
aspectos analizados en relación con la Línea de 132kV, se encontraron:
a) efectos eléctricos: influencia del campo eléctrico sobre cubierta del cable
b) efectos mecánicos:
• declinación de conductores, y del cable ADSS
• interacción entre ellos
• efecto de hielo en la flecha máxima a desarrollar por el ADSS y su relación con el despeje al suelo
• otros de menor incidencia
En este trabajo nos abocaremos al aspecto mencionado en (a) y su prevención. Esto significó tener en cuenta
al cable ADSS en sí mismo, sus accesorios, la disposición de instalación, y otros aspectos complementarios
tendientes a minimizar al efecto de tracking sobre la cubierta del cable.
3) Efecto tracking
3.1)
El Fenómeno
ES IMPORTANTE TENER EN CUENTA que la concepción de “cable dieléctrico” no exime al ADSS de
sufrir efectos nocivos dada su inmersión en el seno de un importante potencial eléctrico. La cubierta del
cable suspendido y expuesto a un alto campo eléctrico se carga capacitivamente, y dada la alta resistencia de
la superficie (de orden de 1012 ohm), la tensión inducida no podrá disiparse por conducción de cargas en el
material de la cubierta. Sin embargo debido a las impurezas de la última -especialmente en condiciones de
humedad y polución- se producirá un flujo de corriente que fluirá a lo largo de la superficie de la cubierta
misma.
Estas corrientes se deben a las capacidades parciales distribuidas entre los conductores de fase y la superficie
del cable ADSS, y la superficie de éste y tierra (o elementos de aterramiento).
Esta situación no producirá
mientras la superficie del
encuentre homogéneamente
totalmente seca, casos en los
presentarían
esfuerzos
longitudinales suficientemente
para causar descargas.
Figura 1
problemas
cable se
húmeda o
que no se
eléctricos
altos como
Sin embargo, durante la transición del
estado seco al húmedo, y aún peor del
estado húmedo al seco, se pueden producir
esfuerzos entre las gotas depositadas del
orden >1kV/mm al extremo de “puentear”
los espacios entre ellas, dando lugar a
descargas de arco cuyos extremos se
encuentran ambos sobre la superficie del
cable. Si la distancia entre gotas es
pequeña, el flujo de corriente continuará;
si la distancia es grande, el proceso de
descarga finalizará (condición máxima con
cable seco). Ver Figura 1.
Estos continuos impactos pueden producir penetraciones en la cubierta, por lo cual la humedad ingresará
entre la cubierta exterior y la parte interior del cable, causando la erosión de la superficie de la cubierta,
llegando al caso de producir rupturas a través de la cubierta exterior en el caso que el campo eléctrico
encuentre una vía conductora ó semiconductora dentro del cable.
3
Esta situación se agravará en las zonas de alta contaminación ambiental, tales como cercanías a plantas
químicas y destilerías, yacimientos con emanaciones sulfurosas, atmósferas salinas, situación ésta posible
para el proyecto que nos ocupa. El deterioro acelerado comenzará en las zonas próximas al punto de
sujeción del ADSS en las estructuras, e implicará la degradación del cable al final de un periodo de tiempo
de uso menor al esperado en la etapa de proyecto.
3.2)
Modelo equivalente del cable ADSS
El circuito simplificado que representa la vinculación del cable ADSS con el conductor de fase y con tierra,
está conformado por una cadena de secciones de circuito, compuestas por capacidades parciales paralelas y
resistencias longitudinales del cable, tal como se visualiza en la Figura 2.
En general se consideran soluciones numéricas aproximando la situación, con valores de capacidades y
resistencias longitudinales tales
como:
•
•
•
•
Figura 2
•
•
C1 (fase a ADSS): 5 pF/m
C2(ADSS a tierra): 5 pF/m
(para 110 a 220kV)
C2 (ADSS a tierra): 3 a 4
pF/m (para 380kV)
R (húmedo y sucio): 107
(y hasta 109) ohm/m
R (seco): 10 14 ohm/m
R(contaminado):
105
ohm/m
No habrá una transición gradual entre resistencias de 108 hasta 1014 ohm/m, debido a que la capa de humedad
se partirá en gotas individuales de agua (de mayor o menor tamaño), dependiendo esto del grado de
contaminación y de la tensión superficial del líquido.
3.3)
Campo eléctrico
La inmersión del cable óptico dentro del campo eléctrico de la LAT amerita el estudio del campo presente
para la configuración específica de la Línea de 132kV. Adicionalmente debe mencionarse que en la
proximidad de la estructura de sujeción, el campo eléctrico no será homogéneo como puede esquematizarse
en Figura 3.
El
hecho
de
utilizar
preformados metálicos en la
sujeción del cable óptico a la
estructura, podría incrementar
las diferencias de potencial y
por ende la ocurrencia de
descargas parciales.
Para tener en cuenta los
aspectos mencionados, en este
proyecto se realizaron los
estudios de campo eléctrico
según características de la LAT
Figura 3
y sus estructuras (alturas,
disposición de fases, distancias,
etc), de manera de conocer la distribución de campo eléctrico que actuaría sobre la cubierta del cable ADSS. En
función de estos cálculos, se realizaron sucesivas iteraciones para determinar la mejor y posible posición de
instalación del cable, de manera de reducir la exposición al tracking, y hasta encontrar un punto óptimo de
suspensión y una distancia de amarre.
4
Como puede apreciarse en las curvas suministradas, la solución de compromiso de instalación del cable en
cuanto a altura, ubicación, separación del cable respecto de la estructura, etc, permitió lograr que el efecto de
campo eléctrico se redujera en forma importante (con potencial entre 8 y 10kV). En forma simultánea se
logro que la interacción mecánica del ADSS con los conductores de fase fuera aceptable. Ver Figuras 4 y 5.
Figura 4: Estudio de posiciones y medición del campo
Figura 5: ubicación optimizada del cable en la zona de 0 a 4 kV.
Adicionalmente se analizaron otros conceptos referidos a la minimización de efecto tracking:
•
el material de la cubierta exterior debiera ser resistente al campo eléctrico y al efecto corona generado por
los conductores de fase de AT de la Línea en las proximidades del amarre del cable. Para ello la
composición de la cubierta debiera ser de características anti-tracking, de forma de poseer una
conductividad tal que decaiga en su valor al depositarse sobre la misma la humedad y la polución ambiental
(mediante agregado de hidróxido de aluminio a la cubierta, u otro procedimiento similar)
5
•
•
Si fuera necesario, los extremos de sujeción del cable ADSS a la estructura metálica podrían incorporar
electrodos de control del campo eléctrico (anillo anticorona), de tipo espiral helicoidal preformadas, de
acero de alta resistencia, como se aprecia en la Figura 6.
El cable ADSS debiera seleccionarse con cubierta según Clase A ó Clase B, según sea el campo
eléctrico de la LAT, en un todo de acuerdo a IEEE Std 1222 (Table 5)
Figura 6: Anillo Anticorona para cable ADSS
3.4)
Características del cable
Se tuvo en cuenta una conformación de cable ADSS, donde el núcleo se encontrara constituido por varilla de
fibra de vidrio de elevada resistencia mecánica tipo GFRP apta para ser utilizada como elemento de tracción
central, con más el agregado de resina de unión de alta resistencia a la temperatura. Ver Figura 7.
Los pares de fibras ópticas con su revestimiento primario y secundario, se alojarían dentro de diferentes tubos
holgados, retorcidos alrededor del núcleo dieléctrico (con adecuada sobre longitud), de manera de eliminar las
variaciones de atenuación que se puedan producir durante el proceso de tendido del cable.
El interior de los tubos holgados contendría gel repelente de humedad (tixotropico) que rellenarán la totalidad
del espacio entre fibras. Ello permitirá disponer la doble función de evitar el ingreso de humedad y además
impedir la migración de agua hacia el interior (impermeabilidad longitudinal).
Figura 7: Detalle del cable ADSS
Por sobre el núcleo y las fibras en los tubos holgados, se coloca una cubierta de núcleo (wrapping tape), de
poliuretano no-higroscópico que servirá como medio de protección contra la humedad y además como
pantalla térmica durante la expresión de la envoltura interior. Entre los tubos se incluirá el liquido bloqueante
de humedad rellenando los espacios entre ellos, con similares características que lo mencionado arriba.
6
Por sobre la envoltura interior se colocará la armadura dieléctrica de modo de lograr la resistencia mecánica
necesaria debido a los esfuerzos de tracción que provengan del proceso de instalación así como del
funcionamiento suspendido permanente posterior.
La armadura dieléctrica estará constituida por dos capas de diferente tipo y cantidad de hilos de Aramida
(kevlar), material utilizado por su alto módulo de Young, aplicadas en forma helicoidal con sentidos de giro
opuesto sobre la envoltura interna. Se consideró no necesario impregnar la Aramida con líquido
semiconductor de forma de proteger aun más la cubierta exterior de los efectos de tracking.
La cubierta exterior es de alto modulo de elasticidad, de material polietileno de alta densidad, resistente a la
radiación UV, no propagante de llamas y libre de compuestos halogenados.
3.5)
Ensayos referidos al efecto de tracking
Se analizan a continuación dos métodos de ensayos posibles
3.5.1) modalidad IEEE Standard 1222
En esta norma denominada “Standard for all-dielectric self supporting fiber optic cable” se indican, entre
otros, los ensayos de cables ADSS para verificar la resistencia a la erosión y tracking bajo los efectos
combinados de campo eléctrico y tensión mecánica.
Para los cables ADSS con cubierta Clase A, no se requieren ensayos eléctricos. Un cable con cubierta tipo
Clase A, se entiende será utilizado cuando la Línea de AT se encuentre por debajo de 110kV y por ende el
nivel de esfuerzo eléctrico no excederá los 12kV de potencial espacial actuando sobre la cubierta del cable.
Cuando un cable ADSS posee cubierta Clase B implica que el mismo podrá ser utilizado en Líneas de AT
por encima de 110kV y que por lo tanto requieren ensayos eléctricos. Corresponde a un nivel de esfuerzo
eléctrico que excederá los 12kV de potencial espacial (space potencial) actuando sobre la cubierta del cable.
Volviendo a la Figura 5 se puede apreciar que nos encontramos en el entorno de 8 a 10kV.
El ensayo debiera tomar una longitud de cable extraída del lote de la provisión, sellar sus extremos
rápidamente para evitar ingreso de humedad y tenderlo horizontalmente con la tensión de esfuerzo mecánico
que corresponderá a la flecha inicial al momento de instalación que se ha previsto, dentro de una cámara de
niebla salina. La vinculación de los extremos a tierra debiera incluir accesorios iguales a los que
efectivamente serán utilizados.
Posteriormente a tensionar mecánicamente el cable, se debiera proceder a secar perfectamente su cubierta, y
luego iniciar el ensayo de niebla salina. Es posible desarrollar el ensayo bajo dos modalidades:
•
realizar un ensayo de 1000hs en las condiciones que establece IEEE Std 1222 Annex A. Durante el
ensayo se mide regularmente la erosión en la cubierta del cable. El ensayo puede interrumpirse cada
100hs y por un intervalo de un máximo de 15min, durante el cual se verifica el espesor de cubierta. Se
concluye que existe efecto tracking sobre la cubierta cuando la erosión de la misma implique una
degradación del espesor de la pared en un 50% del espesor inicial de la cubierta en cualquier punto del
cable
•
realizar un ensayo ininterrumpido de niebla salina hasta verificar la erosión del 50% del espesor de la
cubierta antes mencionada, y certificar en el tiempo que se produjo ese efecto, lo cual puede insumir
3000/4000hrs.
3.5.2) Modalidad NBR 10296
Habida cuenta del nivel de tensión de la LAT, cercano a los 110kV arriba mencionado, para el cable ADSS
involucrado en la obra se optó por ensayos de resistencia al "trilhamento" eléctrico (aparición de surcos) del
material de la cubierta según norma de Brasil NBR 10296/98 y proyecto de norma 03:086.02-083,
verificando:
•
•
soportabilidad de tensión de 3,25kV en muestras nuevas
soportabilidad de tensión de 2,50kV en muestras envejecidas
7
Este grado de cumplimiento de ensayos de materiales, con más el criterio de elección del punto de amarre y
suspensión que asegure tensiones space potencial de no más de 10kV, permitieron un grado de conformidad
para el cable ADSS a ser utilizado, sin ser necesario la aplicación de IEEE 1222.
4) Conclusiones
Se asume que la totalidad de consideraciones y análisis que fueron realizados durante el desarrollo del
proyecto, brindan alta probabilidad de evitar daño en la cubierta del ADSS, debido a:
a) haberse controlado el esfuerzo eléctrico superficial e impedir descargas entre zonas húmedas;
b) haber elegido el punto optimo de sujeción evitando o minimizando interferencia mecánica con los cables
de fase;
c) haber elegido un tipo de cable con componentes adecuados en su cubierta exterior;
d) haber logrado un nivel de campo eléctrico moderado, no elevado, sobre la cubierta del cable ADSS;
e) haber verificado que los montajes respeten los lineamientos e indicaciones del proyecto.
Todo lo considerado y aplicado hará que la probabilidad de abrasión homogénea y/o erosión, sea mínima y
no afecte la confiabilidad del cable óptico ni a mediano ni a largo plazo. No obstante ello deberán realizarse
inspecciones periódicas en la cubierta del cable ADSS durante el transcurso de su vida útil, especialmente en
los primeros metros del cable próximos a los puntos de amarre y suspensión en las estructuras de H°A°, de
forma de certificar la inexistencia efectiva de efecto de tracking a medida que transcurra el tiempo. Se
recomienda que esta verificación sea incluida en las rutinas de mantenimiento predictivo.
En caso que la cubierta en ciertos y específicos puntos de amarre, pudiera presentar signos de erosión,
debiera considerarse el agregado de electrodos de control del campo eléctrico como fue descripto mas arriba.
Bibliografía
* UIT-T G.652; IEC 60794
* IEEE STD 1222/2004
* Guide for planning power utilities digital communication network, Cigre SC35 WG02
* Guía diseño y normas sistemas comunicaciones fibra óptica, ENRE 558/2003
* New optical access technology, CIGRE WGD2.15, (2001)
* Technology of optical network for electric power utilities, ETRA, (2001)
8