Cables de media tensión: aislamiento, pantallas y corrientes circulantes

Un cable de baja tensión es un conductor con una cubierta aislante. Un cable de media tensión es otra cosa: tiene que gobernar un campo eléctrico intenso, y por eso lleva capas semiconductoras, un aislamiento grueso, una pantalla metálica y una cubierta exterior. Este artículo explica para qué sirve cada capa y por qué la forma de poner a tierra la pantalla es una decisión de diseño con consecuencias.

La tensión del cable: U₀/U

Los cables de media tensión se designan con dos tensiones:

• U₀: tensión nominal entre conductor y pantalla (o tierra). Es la que soporta el aislamiento en condiciones normales.
• U: tensión nominal entre conductores de fase.

Un cable 12/20 kV (U₀ = 12 kV, U = 20 kV) es el habitual en redes de 20 kV con neutro a tierra. En redes con neutro aislado o resonante, una falta a tierra sube las fases sanas a la tensión compuesta durante horas, por lo que se elige una categoría superior (18/30 kV para una red de 20 kV, por ejemplo): véase el tratamiento del neutro.

Las capas de un cable unipolar

De dentro afuera:

1. Conductor de cobre o aluminio, normalmente cableado compacto.
2. Semiconductora interna: capa que alisa el campo eléctrico en la superficie del conductor y elimina los huecos de aire que provocarían descargas parciales.
3. Aislamiento: polietileno reticulado (XLPE) o etileno-propileno (HEPR/EPR), de espesor creciente con la tensión.
4. Semiconductora externa: análoga a la interna, en la cara externa del aislamiento.
5. Pantalla metálica: hilos o cinta de cobre (o aluminio laminado) que constituye el electrodo exterior del condensador que forma el cable y lleva la corriente de falta a tierra.
6. Cubierta exterior: polietileno o PVC.

El aislamiento XLPE admite una temperatura máxima en el conductor de 90 °C en servicio y 250 °C en cortocircuito (para el cálculo de aguante al cortocircuito con k = 143 para cobre y XLPE).

Para qué sirve la pantalla

• Confina el campo eléctrico dentro del aislamiento: el campo es radial y la superficie exterior queda a potencial de tierra. Sin pantalla, el aislamiento se degradaría por descargas.
• Seguridad: hace que la superficie exterior del cable no esté en tensión, por lo que se puede tocar.
• Conduce la corriente de falta a tierra hasta el neutro del transformador de la subestación: debe dimensionarse para ella (típicamente 16–25 mm² de cobre o más según la corriente de falta y su duración).
• En redes de cables, la pantalla actúa como electrodo de tierra (véase el centro de transformación).

Corrientes en la pantalla de un cable unipolar

Con tres cables unipolares por una misma terna (trébol), la corriente de cada fase induce una tensión en las pantallas de los demás (y en la suya propia) a lo largo de su longitud. Esa tensión inducida es:

U_ind = X_m · I · L

con I la corriente del conductor, L la longitud y X_m la reactancia mutua por unidad de longitud entre conductor y pantalla:

X_m = 2π · f · 2·10⁻⁷ · ln(2·s / d_m) [Ω/m]

con s la distancia entre ejes de cables y d_m el diámetro medio de la pantalla. Para cables en trébol en contacto de 150 mm² y 12/20 kV (d_m ≈ 28 mm, s ≈ 33 mm):

X_m = 314,2 · 2·10⁻⁷ · ln(2·33 / 28) = 5,4·10⁻⁵ Ω/m ≈ 0,054 Ω/km

Si la pantalla se pone a tierra en ambos extremos, esa tensión inducida hace circular una corriente por la pantalla:

I_p / I = X_m / √(R_p² + X_m²)

con R_p la resistencia de la pantalla (por ejemplo, 25 mm² de cobre: R_p ≈ 0,73 Ω/km):

I_p / I = 0,054 / √(0,73² + 0,054²) = 7,4 %

Con 300 A en el conductor, circulan 22 A por la pantalla.

Dos formas de poner a tierra

Ambos extremos (la solución más habitual en media tensión)

• Ventajas: la pantalla queda a potencial de tierra en todo su recorrido, es la solución más sencilla y segura, y la pantalla puede conducir las faltas a tierra y actuar como electrodo.
• Inconveniente: circula la corriente inducida, que calienta el cable y reduce su capacidad de transporte. En trébol y con secciones moderadas, el efecto suele ser pequeño; en cables de gran sección y en formación plana, es mayor.

Un solo punto (en cables largos o de gran sección)

• Ventajas: no circula corriente por la pantalla, así que no hay pérdidas adicionales ni reducción de la capacidad.
• Inconvenientes: aparece una tensión inducida en el extremo libre (en el ejemplo, 16 V por kilómetro y para 300 A, que sube mucho en una falta); hace falta aislar el extremo libre y protegerlo con limitadores de sobretensión frente a las sobretensiones de maniobra y de rayo, y se pierde la función de electrodo y de conductor de retorno de la falta (que requiere un conductor de tierra paralelo).
• La tensión inducida en servicio normal suele limitarse a unos 50–100 V, de modo que la longitud máxima se acota.

Cross-bonding (transposición de pantallas)

En cables largos de alta tensión, la línea se divide en tramos de longitud igual y se permutan las pantallas entre ellos de forma que las tensiones inducidas se compensen y las corrientes circulantes casi desaparezcan, con puestas a tierra solo cada tres tramos. Es una solución de diseño de líneas de transporte y de redes largas.

Puesta a tierra en una red de cables

El Reglamento de alta tensión (ITC-RAT 13, apartado 7.7.4) permite, en centros de transformación alimentados por redes de cables subterráneos con envolventes conductoras de suficiente conductividad, unir las puestas a tierra de protección y de servicio, y utilizar como electrodo las propias envolventes, incluso sin electrodos adicionales. Es una de las razones por las que una pantalla bien dimensionada y bien puesta a tierra mejora el comportamiento de la tierra del CT.

Resumen

• La pantalla confina el campo, conduce las faltas a tierra y deja segura la superficie del cable.
• La designación U₀/U indica la tensión que soporta el aislamiento frente a tierra y entre fases.
• Con ambos extremos a tierra, circula una corriente de pantalla (≈ 7 % de la de fase en el ejemplo) que calienta el cable.
• Con un solo punto, no hay corriente pero sí tensión inducida (16 V/km en el ejemplo); hay que aislar y proteger el extremo libre.

Contenido orientativo: las fórmulas son las aproximaciones habituales para cables unipolares (UNE-EN 60287 para el cálculo de intensidad admisible con pérdidas en pantalla). El apartado 7.7.4 de la ITC-RAT 13 se ha contrastado con el texto del Real Decreto 337/2014. Los datos del ejemplo son ilustrativos y deben tomarse del catálogo del cable.