INSTITUTO SUPERIOR POLITECNICO JOSE ANTONIO ECHEVERRIAFACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

CIPEL. DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA

TRABAJO PARA OPTAR POR EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS TECNICAS

TEXTO DE CONSULTA PARA LA FORMACION DE INGENIEROS ELECTRICISTAS Y DE LOS

ESPECIALISTAS EN ALTA TENSION Y MATERIALES ELECTROTECNICOS.

AUTOR: MSc. Ing. Juan Almirall Mesa.

Ciudad de la Habana, Mayo del 2000

.

A MI FAMILIA

Agradecimientos

Quiero expresar mi agradecimiento a todos los que de una forma u otra han

colaborado a la realización de este libro. Pero entre todos desearía nombrar de

forma explícita al Ing. Alcides Machín por su apoyo en todos los ordenes. Mención

especial requieren también el Dr. Santiago Dorberrcker y la Ing. Olga Susana

Suarez por la valiosa información que me brindaron, así como también el Ing.

Roberto Ugarte.

Al Dr. Mario Morera, jefe de nuestro departamento y al Dr. Miguel Castro,

director del CIPEL por su apoyo y por las facilidades que me brindaron para la

culminación de esta obra.

Particular mención requiere mi esposa y mis hijas por su ayuda y paciencia sin

limites.

El autor.

OBJETIVO.

La confección de un libro científico - técnico actualizado que reuna en un volumen único temas

sobre Alta Tensión y Materiales Electrotécnicos, que por lo general se encuentran bastante

dispersos en la literatura, con la finalidad de facilitar el estudio de los mismos a nuestros

especialistas y que disponga de un nivel de continuidad, de un nivel de generalización,

profundidad y actualización que haga que el mismo pueda ser empleado como texto de consulta

para los cursos de pregrado y de posgrado que se imparten en la disciplina de Ingeniería

Eléctrica.

Indice

INTRODUCCION.

CAPITULO I.- EL HOMBRE Y LA ENERGIA ELECTRICA. MEDIDAS DE SEGURIDAD.

1.1.- Introducción 11.2.- Impedancia del cuerpo humano 11.3.- Efecto de la corriente eléctrica en el cuerpo humano 31.4.- Parámetros que determinan la magnitud de la corriente que puede llegar a circular

por el cuerpo humano. 91.5.- Accidentes eléctricos. 12

1.5.1.- Causas de lesiones y muertes debido accidentes eléctricos. 121.5.2.- Indice de riesgo de un contacto eléctrico. 131.5.3.- Contactos directos. 141.5.4.- Medidas de protección contra los contactos directos. 171.5.5.- Contactos indirectos. 221.5.6.- Tensión de paso y de contacto. 251.5.7.- Arcos eléctricos. 28

1.6.- Medios y herramientas de trabajo en los sistemas eléctricos energizados. 291.6.1.- Medios de protección individuales. 291.6.2.- Medios de protección aislados. 331.6.3.- Pruebas de control a los guantes, botas y mantas aisladas. 381.6.4.- Detectores de ausencia de tensión. 391.6.5.- Herramientas de trabajo para instalaciones energizadas. 42

1.7.- Trabajo en las redes eléctricas de alta tensión. 441.7.1.- Requisitos generales de seguridad. 471.7.2.- Trabajo en las redes eléctricas desenergizadas. 521.7.3.- Trabajo con las redes energizadas. 58

1.8.- Tratamiento de urgencia en caso de accidentes eléctricos. 601.8.1.- Tratamiento de urgencia de las grandes quemaduras. 611.8.2.- Métodos de reanimación de la víctima. 621.8.3.- Rescate a accidentados. 64

CAPITULO II.- MATERIALES AISLANTES.

2.1.- Introducción. 662.2.- Comportamiento de los materiales aislantes frente a un campo eléctrico. 68

2.2.1.- Introducción. 682.2.2.- Características atómicas de los materiales aislantes. 702.2.3.- Polarización en los materiales aislantes. 732.2.4.- Permitividad de las sustancias aislantes. 772.2.5.- Permitividad compleja. 802.2.6.- Variación de la permitividad con la frecuencia y la temperatura. 812.2.7.- Conductividad de los dieléctricos. 832.2.8.- Angulo de pérdidas y tan . 842.2.9. - Variación de la tan con la frecuencia y la temperatura. 862.2.10.- Pérdidas de energía en los dieléctricos. 892.2.11.- Circuito equivalente de un dieléctrico. 92

I

2.3.- Aislantes gaseosos. 942.3.1.- Introducción. 942.3.2.- Aspectos básicos de la teoría cinético molecular de los gases. 952.3.3.- Conducción en los gases. 982.3.4.- Primer coeficiente de ionización de Townsend. 1012.3.5.- Segundo coeficiente de ionización de Townsend. 1032.3.6.- Ley de Paschen. 1062.3.7.- Mecanismos de ruptura en los aislantes gaseosos sometidos a un

campo eléctrico uniforme. 1082.3.8.- Ruptura en los aislantes gaseosos sometidos a la acción de un campo

eléctrico no uniforme. 1152.3.9.- Efecto corona en corriente alterna. 1202.3.10.- Pérdidas de energía debido al efecto corona. 1222.3.11.- Descarga autosostenida. 1242.3.12.- Arco eléctrico en corriente directa. 1272.3.13.- Arco eléctrico en corriente alterna. 1292.3.14 - Característica del comportamiento estático del arco eléctrico. 1292.3.15.- Métodos de extinción del arco eléctrico. 130

2.4.- Aislantes líquidos. 1332.4.1.- Introducción. 1332.4.2.- Características generales de los líquidos aislantes. 1342.4.3.- Conducción en los aislantes líquidos. 1342.4.4.- Ruptura en los aislantes líquidos. 1362.4.5.- Envejecimiento de los aislantes líquidos. 1402.4.6.- Determinación de la rigidez dieléctrica en los aislantes líquidos. 1412.4.7.- Principales líquidos aislantes. 1442.4.8.- Recuperación de los aceites minerales. 145

2.5.- Aislantes sólidos. 1462.5.1.- Introducción. 1462.5.2.- Conducción volumétrica en los aislantes sólidos. 1462.5.3.- Factores que influyen en la conductividad volumétrica de los aislantes

sólidos. 1472.5.4.- Conductividad superficial. 1502.5.5.- Características generales del rompimiento en aislante sólidos. 1522.5.6.- Ruptura intrínseca o electrónica. 1522.5.7.- Rompimiento electromecánico. 1542.5.8.- Ruptura electrotérmica. 1542.5.9.- Ruptura por descargas. 1572.5.10.- Ruptura superficial. 161

2.6.- Materiales conductores. 1652.6.1.- Introducción. 1652.6.2.- Propiedades de los conductores. 1662.6.3.- La conductividad y su magnitud reciproca la resistividad. 1672.6.4.- El coeficiente de temperatura para la resistividad. 1692.6.5.- Resistividad de las aleaciones. 1722.6.6.- Superconductividad. 1732.6.7.- Conductividad térmica de los conductores. 176

II

2.6.8.- Variación de la resistividad de los metales al deformarse. 1772.6.9.- Diferencia de potencial de contacto. 1772.6.10.- Resistencia de contacto entre materiales conductores. 1812.6.11.- Resistencia, inductancia y efecto pelicular en los conductores. 182

2.7.- Materiales conductores puros mas usados. 1852.7.1.- Cobre. 1862.7.2.- Aluminio. 1872.7.3.- Hierro. 189

2.8.- Materiales conductores para usos especiales. 1892.8.1.- Materiales usados para la construcción de resistencias eléctricas. 1892.8.2.- Materiales para contactos. 1902.8.3.- Metales y aleaciones fusibles. 1922.8.4.- Materiales para soldaduras. 194

CAPITULO III.- CONDUCTORES.

3.1.- Introducción. 1963.2.- Alambres. 196

3.2.1.- Introducción. 1963.2.2.- Alambres esmaltados. 2003.2.3.- Alambres con aislamiento de papel. 2003.2.4.- Alambres con aislamiento fibroso (encintados). 2003.2.5.- Alambres aislados a base de óxidos. 202

3.3.- Cables 2023.3.1.- Introducción 2023.3.2.- Denominación de los cables. 2043.3.3.- Características de los materiales aislantes mas usado en los cables

aislados. 2063.3.4.- Comportamiento térmico de los cables. 2083.3.5.- Máxima corriente de operación continua admisible por un cable. 2133.3.6.- Máxima corriente admisible por un cable bajo condiciones de

cortocircuito 2163.4.- Cables aislados de baja tensión. 219

3.4.1.- Introducción. 2193.4.2.- Parámetros mas importantes de los conductores aislados de baja tensión. 2193.4.3.- Determinación de la cargabilidad de los cables aislados de baja

tensión. 2213.4.4.- Cargabilidad de los cables soterrados por conductos.. 222

3.5.- Cables aislados de alta tensión. 2223.5.1.- Introducción. 2223.5.2.- Parámetros mas importantes de los cables aislados de alta tensión. 2223.5.3.- Capacitancia de los cables aislados de alta tensión. 2283.5.4.- Pérdidas de energía en el aislamiento. 2293.5.5.- Inductancia en los cables aislados. 2303.5.6.- Pérdidas de energía en las partes conductoras de los cables aislados. 230

3.6.- Cargabilidad de los cables aislados a factor de carga constante 231III

3.6.1.- Introducción. 2313.6.2.- Caso de un cable instalado directamente en la tierra. 2313.6.3.- Caso un cable perteneciente a un grupo de cables instalados

directamente en la tierra. 2353.6.4.- Caso de un cable perteneciente a un grupo instalado por conductos. 2363.6.5.- Caso de cables instalados al aire. 238

3.7.- Cargabilidad de los cables aislados considerando las variaciones periódicas de la curva de carga. 2393.7.1.- Introducción. 2393.7.2.- Método para la determinación de la cargabilidad de cables soterrados

teniendo en cuenta las variaciones periódicas de las cargas. 2403.7.3.- Caso de un cable instalado directamente en la tierra. 2403.7.4.- Caso un cable perteneciente a un grupo de cables instalados directamente

en la tierra. 2423.7.5.- Caso de un cable perteneciente a un grupo instalado por conductos. 242

3.8.- Conductores para líneas aéreas. 2483.8.1.- Introducción 2483.8.2.- Características generales de los cables de las líneas aéreas. 2483.8.3.- Características mecánicas de los cables para las líneas aéreas. 2513.8.4.- Ventajas y desventajas de los diferentes tipos de cable usados

en la construcción de las líneas aéreas. 2543.8.5.- Conductores simétricamente suspendidos. 2553.8.6.- Conductores suspendidos asimétricamente. 2583.8.7.- Calculo de las cargas sobre las estructuras debido a los conductores. 259

CAPITULO IV.- AISLAMIENTO EXTERNO.

4.1.- Introducción. 2614.2.- Características del aislamiento externo. 262

4.2.1.- Introducción. 2624.2.2.- Materiales convencionales mas usados para la construcción del

aislamiento externo. 2634.2.3.- Características constructivas de los aisladores convencionales. 2674.2.4.- Características generales de los aisladores poliméricos. 2794.2.5.- Características constructivas de los aisladores poliméricos. 2804.2.6.- Características mecánicas de los aisladores poliméricos. 2844.2.7.- Características eléctricas de los aisladores poliméricos. 284

4.3.- Comportamiento de los aisladores ante las sobretensiones transitorias. 2864.3.1.- Introducción. 2864.3.2.- Relación esfuerzo – rigidez del aislamiento externo. 2874.3.3.- Probabilidad de falla. 2904.3.4.- Efecto de las sobretensiones sobre los aisladores contaminados. 292

4.4.- Efecto de la contaminación ambiental sobre el aislamiento externo. 2934.4.1.- Introducción. 2934.4.2.- Antecedentes históricos. 2934.4.3.- Principales tipos de contaminación. 2944.4.4.- Efecto de las descargas eléctricas sobre los aisladores bajo condiciones

IV

de contaminación. 2954.4.5.- Características generales de los contaminantes. 2954.4.6.- Factores que determinan la acumulación y la distribución de la capa

de contaminante. 2964.5.- Análisis teórico del fenómeno de las descargas superficiales en los

aisladores contaminados. 2984.5.1.- Introducción. 2984.5.2.- Distribución de tensión a lo largo de una pieza aislante cilíndrica. 3014.5.3.- Características físicas de las descargas sobre la superficie de los

elementos aislantes contaminados. 3034.5.4.- Conductividad superficial en los aisladores. 3054.5.5.- Valor máximo de la conductividad de una capa de contaminante. 3064.5.6.- Modelo de Obenaus. 309

4.6.- Métodos para la evaluación de la severidad de la contaminación ambiental y su efecto en la selección del aislamiento. 3164.6.1.- Introducción. 3164.6.2.- Determinación de los niveles de contaminación atmosférica. 3174.6.3.- Características generales de los métodos de prueba. 3194.6.4.- Determinación de la distancia de fuga especifica. 3264.6.5.- Selección del aislamiento en las instalaciones eléctricas. 3274.6.6.- Efecto de la configuración y de la posición de las disposiciones aislante. 328

4.7.- Métodos de combatir la contaminación ambiental. 3294.7.1.- Introducción. 3294.7.2.- Lavado de los aisladores. 3294.7.3.- Lavado en líneas energizadas. 3314.7.4.- Lavado de subestaciones. 3354.7.5.- Aplicación de grasas. 3364.7.6.- Recubrimientos elastoméricos. 3404.7.7.- Aisladores de capa semiconductora. 3414.7.8.- Sobreaislamiento. 3444.7.9.- Eliminación de la fuente de contaminante. 344

4.8.- Distribución de tensión en cadenas de aisladores. 3454.8.1. Introducción. 3454.8.3.- Análisis de la distribución de tensión en corriente alterna. 3504.8.4.- Efecto de un aislador fallado en la cadena. 3544.8.5.- Efecto de un aislador diferente en la cadena. 3544.8.6.- Efecto de los parámetros de la instalación en la distribución de tensión. 3574.8.7.- Medición experimental de la distribución de tensión. 3584.8.8.- Métodos para mejorar la distribución de tensión. 359

4.9.- Corrosión en las partes metálicas del aislamiento externo. 3604.9.1.- Introducción. 3604.9.2.- Corrosión atmosférica. 3614.9.3.- Corrosión electrolítica. 3624.9.4.- Métodos de combatir la corrosión electrolítica. 362

CAPITULO V.- TRANSMISION Y REFLEXION DE ONDAS.V

5.1.- Introducción. 3655.2.- Propagación de las ondas de choques en líneas sin pérdidas. 3655.3.- Energía de las ondas. 3715.4.- Amortiguamiento y distorsión de las ondas. 3725.5.- Velocidad de traslación de las ondas. 3775.6.- Reflexión y transmisión de ondas. 3795.7.- Líneas terminadas en una resistencia. 3835.8.- Unión de una línea con otras dos líneas de diferentes impedancias. 3845.9.- Resistencias en serie y en derivación. 3905.10.- Capacitores en derivación y en serie. 3925.11.- Inductores en derivación. 3975.12.- Reflexiones múltiples. 4025.13.- Reflexiones múltiples en líneas con varios puntos de discontinuidad. 408

CAPITULO VI.- SISTEMAS DE PUESTA A TIERRA.

6.1.- Introducción. 4116.2.- Definiciones. 4116.3.- Clasificación de las puestas a tierra. 4126.4.- Resistencia de una puesta a tierra. 4126.5.- Factores de que depende la resistividad del terreno. 4136.6.- Sistemas de puesta a tierra naturales. 4176.7.- Sistemas de puesta a tierra artificiales. 4176.8.- Ecuación general de la resistencia de puesta a tierra de un electrodo. 4176.9.- Electrodos verticales. 4206.10.- Comportamiento de los electrodos verticales ante impulso. 4286.11.- Electrodos horizontales. 4306.12.- Comportamiento de los electrodos horizontales ante impulso. 4336.13.- Mallas de tierra. 4346.14.- Medición de la resistencia de puesta a tierra y de la resistividad de la tierra. 4376.15.- Caída de potencial en los electrodos de tierra. 4426.16.- Tensiones de paso y de contacto. 4466.17.- Sistema de puesta a tierra en las líneas aéreas. 4476.18.- Protección de las puestas a tierra contra la corrosión. 450

CAPITULO VII.- SOBRETENSIONES EXTERNAS.

7.1.- Introducción. 4537.2.- Características generales de los rayos. 453

7.2.1.- Introducción. 4537.2.2.- Formación y desarrollo de los rayos. 4547.2.3.- Intensidad de las tormentas eléctricas. 4617.2.4.- Características de la corriente de los rayos. 4627.2.5.- Efecto sobre los rayos de los objetos sobre la superficie del terreno 4657.2.6.- Medios de protección contra rayos. 466

7.3.- Protección de edificios y de instalaciones generales. 468VI

7.3.1.- Introducción. 4687.3.2.- Pararrayos pasivos. 4697.3.3.- Pararrayos activos. 472

7.4.- Protección de líneas de transmisión de energía eléctrica. 4737.4.1.- Introducción. 4737.4.2.- Cables de protección. 4767.4.3.- Pararrayos distribuidos. 483

7.5.- Protección de transformadores. 4847.5.1.- Introducción. 4847.5.2.- Entrehierros o descargadores. 4857.5.3.- Pararrayos de carburo de silicio (SiC). 4877.5.4.- Pararrayos de oxido metálico (ZnO). 4947.5.5.- Análisis comparativo entre los pararrayos de ZnO y los de SiC. 4987.5.6.- Instalación de pararrayos en subestaciones. 4997.5.7.- Instalación de pararrayos en sistemas de distribución. 505

7.6.- Protección de maquinas rotatorias. 507

CAPITULO VIII.- SISTEMAS DE PRUEBA Y MEDICION EN ALTA TENSION

8.1.- Introducción. 5118.2.- Principales pruebas en alta tensión. 511

8.2.1.- Definición de términos de uso frecuente en las pruebas de alta tensión. 5118.2.2.- Pruebas a frecuencia de potencia. 5128.2.3.- Pruebas con tensiones transitorias. 513

8.3.- Equipos de prueba para corriente alterna. 5148.3.1.- Introducción. 5148.3.2.- Transformadores monofásicos. 5158.3.3.- Transformadores conectados en cascada. 5188.3.4.- Circuitos serie resonantes. 5218.3.5.- Sistema de control de las fuentes de prueba de corriente alterna. 523

8.4.- Equipos de prueba para corriente directa. 5258.4.1.- Introducción. 5258.4.2.- Rectificador de media onda. 5258.4.3.- Rectificadores de onda completa. 5278.4.4.- Dobladores de tensión. 5278.4.5.- Multiplicadores de tensión. 5288.4.6.- Generadores electrostáticos. 529

8.5.- Generadores de tensiones transitorias. 5318.5.1.- Introducción. 5318.5.2.- Ondas de impulso de tensión para simular rayos. 5318.5.3.- Generadores de ondas de tensión de impulso. 5348.5.4.- Generadores de ondas de tensión de impulso de etapas múltiples. 5418.5.5.- Características generales de las partes componentes de los generadores

de ondas de impulso de tensión. 5438.5.6.- Generación de ondas de impulso de baja tensión. 5478.5.7.- Generación de tensiones transitorias oscilatorias. 5518.5.8.- Generadores de corrientes transitorias. 553

VII

8.6.- Sistemas de medición en alta tensión. 5588.6.1.- Introducción. 5588.6.2.- Voltímetros electrostáticos. 5588.6.3.- Esferas de medición. 5598.6.4.- Divisores de potencial. 5638.6.5.- Impedancia calibrada. 568

VIII

INTRODUCCION.

En la literatura científico-técnica actual abundan cada vez más los libros en que los temas tratados son desarrollados por diversos autores, lo que trae como consecuencia que cada uno tenga un enfoque diferente. En este tipo de texto el editor busca actualidad y profundidad, con lo que resulta, por lo general, un libro de gran utilidad, pero fundamentalmente para los especialistas de la disciplina de que se trate.

Una deficiencia de los libros científico-técnicos confeccionados por varios autores e incluso por un solo autor publicados últimamente, es que no pueden ser usados como texto de consulta para los estudiantes de la carrera de Ingeniería Eléctrica y ni siquiera en muchos casos por los alumnos de posgrado debido a la disimilitud de enfoques, a la no continuidad entre los temas, a que el conocimiento científico previo sobre el tema que se requiere para poder comprenderlos es muy alto, etc. Además, en ellos en la mayoría de los casos se emplea, para la ejemplificación y/o ilustración de los diferentes fenómenos, materiales o hechos de interés científico para los especialistas, pero que no cumplen el requisito de generalización, de ley, necesario para un texto de consulta.

En el libro propuesto, el autor tomando como base su gran experiencia como profesor ha sido muy cuidadoso con los aspectos antes señalados para que este libro, sin perder la actualización y la profundidad requeridas, pueda ser usado como texto de consulta en el actual plan de estudio.

A lo largo de todo el texto se usan como elementos importantes de ejemplificación e ilustración los resultados obtenidos por el autor en sus trabajos de investigación y desarrollo, ejemplo de los cuales, entre otros son: sus trabajos con la producción sobre aislamiento externo en cuanto a la contaminación ambiental y los métodos para combatirla , o sus trabajos docentes como es el caso del modelo físico-matemático desarrollado para el estudio de la transmisión y reflexión de ondas en los sistemas eléctricos. Dentro de los trabajos realizados para la producción se destaca el correspondiente a la cargabilidad de cables aislados de alta tensión instalados por líneas de conductos dentro del cual se plantea la novedad científica de este trabajo.

Un aspecto novedoso y de gran importancia en este libro es la recopilación en un texto único de temas que por lo general están dispersos en la literatura técnica de esta especialidad. Además en el tratamiento de cada tema se ha seguido el mismo principio.

El libro consta de ocho capítulos que abarcan los temas fundamentales que se imparten en la disciplina de Ingeniería Eléctrica a lo largo de los cinco años de la carrera de formación del Ingeniero Electricista, en los cursos de posgrado y en los que se imparten por esta disciplina en la Maestría de Ingeniería Eléctrica. En el Anexo A se muestra el Indice del libro.

Para cumplir los objetivos propuestos los temas correspondientes a cada capítulo han sido tratados con la profundidad, actualización y extensión requerida de acuerdo a la experiencia del autor. En el libro el estudiante de pregrado, con la orientación del profesor, puede encontrar la información requerida para vencer los objetivos de los temas que se imparten en la asignatura Ingeniería Eléctrica I, II, III y IV del actual plan de estudios .

Por otro lado, el estudiante de posgrado dispondrá de un texto en el cual, al estudiar cada tema en su conjunto, hallará la información necesaria para refrescar sus conocimientos y para profundizar en ellos.

Los ingenieros de la producción, que trabajan en esferas afines a los temas tratados en el libro, hallarán en él la información básica requerida para entender muchos de los problemas con que se encuentra a diario en su trabajo, al tiempo que les permitirá elevar el nivel de su cultura técnica.

Al libro se adicionan, también como algo novedoso, cinco programas de computación de carácter docente confeccionados por el autor. Tres de estos programas se usan en pregrado con el objetivo de facilitar al estudiante la comprensión de los temas tratados y con el uso de los cuales el estudiante puede autoevaluarse. Los otros dos programas, usados en los cursos de posgrado, cumplen la finalidad de facilitar la comprensión de dos temas que por su importancia y complejidad requieren de un tratamiento especial.