SEGURIDAD EN EL DISEÑO DE REDES DE DISTRIBUCION ELECTRICA

Basados en experiencias pasadas y recientes, que se han traducido en accidentes con pérdidas de vidas, pérdidas de apreciables inversiones, y en pérdidas indirectas que bajo esas circunstancias afectaron el quehacer doméstico y la producción; y con el propósito de descartar futuras situaciones similares, iniciamos una secuencia de comunicaciones técnicas que estimamos puedan ser de utilidad en el Diseño de Redes de Distribución Eléctrica. 

¿QUE PARAMETROS DEL ENTORNO PARTICIPAN EN LA ELECCION DEL MATERIAL DE LOS CONDUCTORES ?

RESUMEN


Se sugiere examinar la agresividad natural del medio ambiente, en la etapa de selección del material para conductores de redes de distribución, de modo que además de las prestaciones mecánicas y eléctricas del diseño quede asegurada la vida útil, la confiabilidad y la seguridad de las instalaciones.

INDICE
1.- Introducción
2.- ¿Qué materiales conductores se utilizan y cómo?
3.- ¿Cúal es el contexto de las instalaciones eléctricas?
4.- Deterioro irreversible de los conductores
5.- ¿Cuales son las pautas complementarias de diseño?
6.- Conclusiones

 1. INTRODUCCION


Los conductores eléctricos, son fabricados con Cobre y Aluminio que son metales de características adecuadas; no obstante, dichos metales ostentan diferencias físicas y aptitudes de desempeño propias frente a la agresividad del medio ambiente.

En sistemas y redes de distribución en baja tensión se aplican usualmente conductores de secciones rectas menores, lo cual puede hacerlos más vulnerables a las solicitaciones del medio ambiente.

2. ¿QUE MATERIALES CONDUCTORES SE UTILIZAN Y COMO?

2.1 Materiales Metálicos para Conductores Eléctricos
El costo del metal base y la conductividad, limitan la selección de los metales al Cobre y al Aluminio, que también se alean y son sometidos a tratamientos térmicos para mejorar sus características finales. En el caso del Aluminio puro, según la necesidad, se puede incluir un refuerzo de acero.

 2.2 Utilización de Conductores Eléctricos
Inicialmente los sistemas eléctricos de distribución y de baja tensión sólo utilizaban conductores de Cobre. A partir de 1945 se hizo notoria la presencia de conductores de Aluminio en las referidas instalaciones, en función básicamente del menor peso del material y menor costo de la inversión inicial; no obstante, el desempeño del Cobre a través del tiempo, especialmente en atmósferas densas, zonas industriales y de borde de mar corrosivas, le ha permitido mantenerse como el material más conveniente.

2.3 Consecuencias del Condicionamiento Económico
El criterio de inversión a mínimo costo, obviando el análisis de compatibilidad y desempeño de los conductores en el medio ambiente, puede conducir a la elección errónea de la opción que inicialmente resulte más económica. Esta podría devenir, debido al rápido deterioro y sucesivos colapsos, en costosos mantenimientos, pérdidas por reposiciones prematuras, y lucro cesante, aparte el peligro latente, la pérdida de confiabilidad del sistema y vida útil de la instalación.

2.4 Experiencias de Colapso de Redes Eléctricas
Entre las diferentes experiencias en el país, se cuentan dos casos considerados mayores ocurridos desde 1978 y parte de la década de 1980. Se trata de las redes eléctricas de Aluminio nuevas y renovadas de las ciudades de Trujillo y Chimbote que a sólo dos años de su instalación empezaron a sufrir deterioros graves con incontables roturas y colapsos de conductores, lo que ocasionó servicio caótico, pérdidas de vida humana e ingentes pérdidas económicas.

3. ¿CUAL ES EL CONTEXTO DE LAS INSTALACIONES ELECTRICAS?

3.1 Fabricación de los Conductores de Cobre
Normalmente los conductores de Cobre para redes de distribución aérea se fabrican con un metal de 99.97 % de pureza. Las aleaciones ligeras que ocasionalmente se aplican, tienen la finalidad de mejorar sus características mecánicas; lo cual se logra, sin sacrificio de su conductividad ni su estabilidad termodinámica por tratarse de un metal noble. Los tratamientos térmicos de acabado permiten producir sin detrimento del material, los tres tipos más utilizados de conductores; Recocido, Temple Semi-Duro y Temple Duro.

3.2 Fabricación de Conductores de Aluminio
Los conductores de Aluminio se fabrican con un metal de 99.5 % de pureza; no obstante, gran parte de la producción destinada a las redes eléctricas aéreas utiliza aleaciones ligeras para incrementar sustancialmente sus características mecánicas. Esto ocasiona algún deterioro en su conductividad así como en su estabilidad termodinámica. Asimismo, el delicado tratamiento de revenido de acabado que se requiere al final de la fabricación de los conductores es decisivo para su ulterior desempeño bajo las solicitaciones mecánicas y del medio ambiente. Existen diferentes tipos de conductores : Sencillos y Reforzados.

3.3 Comparación de las Propiedades de los Conductores
El análisis del desempeño requerido, tanto del Cobre como del Aluminio, a lo largo de la vida útil que se les asigna, debe considerar que las principales propiedades de ambos metales base en conductores de idénticas dimensiones, pueden tener efectos diferentes en el diseño eléctrico y mecánico de la redes eléctricas. Esto puede traducirse en durabilidad, servicio sin relajación ni deformaciones permanentes, mínimo mantenimiento, confiabilidad de la operación y seguridad.  

TABLA N° 1 : Principales Propiedades de los Metales con Tratamiento Térmico para Conductores Eléctricos.

3.4 Influencia del Entorno sobre las Instalaciones
La ubicación geográfica de las instalaciones define las características del entorno que incide sobre los conductores; estas solicitaciones dependen principalmente de los parámetros atmosféricos y meteorológicos a los que se agrega el ensuciamiento natural y artificial del aire de la zona. Es bajo estas condiciones que normalmente deberá hacerse la selección del material conductor.

a. La Intemperie
Se manifiesta principalmente con la acción erosiva de la radiación ultravioleta y la pérdida de resistencia mecánica por los gradientes térmicos solares aplicados cíclicamente a los conductores expuestos que también deben disipar el calor creado por la corriente eléctrica - Efecto Joule. En este caso los gradientes térmicos mayores se presentan en la Costa y la Selva con una menor incidencia de la radiación ultravioleta, siendo inverso el fenómeno en la Sierra. En relación a estas solicitaciones, los conductores en servicio se cubren de una Patina Protectora rígida muy resistente y pueden soportar diferentes niveles de temperatura sin deformación permanente.

b. El Viento
Constituye un medio de transporte y deposición eficaz de sólidos, gases y vapores que forman la contaminación natural y artificial y la humedad del medio ambiente. En la costa Peruana, ingresan desde el Océano Pacífico por el Sur y el Sur Oeste con velocidades entre 3 m/s y 17 m/s, aportando la salinidad marina y la arena desértica con la que producen la abrasión de la capa de óxido protector de los conductores. En la Sierra y Selva, salvo casos puntuales de contaminación localizada, los vientos solo arrastran masas de aire con mínimo polvo y humedad.

c. La Humedad
La humedad del medio ambiente con exclusión de las precipitaciones pluviales en sus diversas formas, está constituida por el vapor natural de agua, el vapor condensado en forma de neblina, y eventualmente en el litoral marítimo, la niebla y el agua de mar atomizada por el oleaje. La intensa humidificación de la superficie de los conductores que se da en la Costa, ocurre cuando se superponen gradientes térmicos a partir de o hacia las temperaturas más bajas.

La humedad natural diaria en la Sierra es normalmente baja. Esta oscila entre 40% y 75%, mientras que en la Costa y la Selva es alta y llega al 100%.

d. La Contaminación Activa
Esta conformada por depósitos de sustancias químicas solubles TABLA N°2, acumuladas en las superficies de los conductores, los cuales en presencia de humedad y condensación forman soluciones electrolíticas-electrolitos más o menos conductores - dando lugar al funcionamiento de diferentes celdas de corrosión. La región costera es afectada principalmente por la contaminación de las sales marinas y aquellas que provienen del suelo desértico. En las zonas urbanas se agrega el ensuciamiento que ocasionan el tráfico vehicular, de las Industrias y de los cultivos industriales.

La Sierra y Selva peruana tienen atmósfera limpia; no obstante, existen zonas afectadas con contaminación de fuentes puntuales como son centros extractivos,plantas concentradoras, fabricas de cemento, cultivos extensos, carreteras afirmadas, centros urbanos y otros. La lluvia en algunos casos, los contrarresta eficazmente lavando la contaminación depositada.

TABLA N° 2 : Sales solubles en proporciones similares, así como características que muestran la similitud de la contaminación costera a diferentes distancias del mar, en tres puntos que cubren 450 Km. de litoral.

4. DETERIORO IRREVERSIBLE DE LOS CONDUCTORES

Un cabal dimensionamiento eléctrico y mecánico de los conductores, sin el análisis de compatibilidad con el medio ambiente, no garantiza su vida útil de 30 años bajo operación normal, en la que se basa la inversión. La agresividad de los agentes del entorno se pondrá de manifiesto desde el momento de la instalación, principalmente a través de los procesos de corrosión, que a corto o mediano plazo desencadenarán el colapso de los conductores.

4.1.Agresividad del Medio Ambiente
La Sierra y la Selva sólo presentan casos puntuales de agresividad. Los estudios del deterioro de los conductores aéreos en la Costa Peruana, luego de ser afectados por roturas de hebras y colapsos en medio vano y en los puntos de fijación al aislamiento, han permitido focalizar la agresividad de la Atmósfera Borde de Mar que se manifiesta en diversos grados hasta la cota + 500 m; según lo cual, manteniendo la correlación de la clasificación con similares casos localizados del extranjero, se ha integrado la TABLA N° 3 que denota alta corrosividad hasta el nivel Medio.

*Zona costera hasta la cota 500 m  TABLA N° 3 : Rangos de corrosividad del medio ambiente costero de localizaciones específicas en ultramar, cuya agresividad es comparable a la que presenta la costa peruana hasta la cota 500m.

4.2 Experiencia de Deterioro en la Costa Peruana:
Redes urbanas borde de mar, próximas hasta en 2.0 Kms, dotadas de conductores de Cobre forrado de pequeña sección recta, han sufrido extensos daños del aislamiento y esporádicas roturas de hebras y colapsos después de 15 a 20 años de haber sido instaladas; a mayores distancias del mar, los conductores de Cobre desnudo registran escasos incidentes similares aún después de más de 30 años de servicio.

La experiencia obtenida del desempeño de las instalaciones con conductores de Aluminio en las principales ciudades de la Costa Peruana ha sido poco alentadora debido a su vulnerabilidad frente a los agentes abrasivos y corrosivos del litoral, que en algunos casos muy rápidamente ocasionan roturas de hebras, y aflojado de conectores, dando lugar a sucesivos colapsos como los mencionados en el subtítulo 2.4., similares contingencias en general han permitido estructurar la TABLA N° 4, que presenta intervalos referenciales de duración promedio de redes eléctricas aéreas con conductores desnudos.

TABLA N° 4 : Duración promedio inicial y máxima con reemplazos de los conductores de las Redes Eléctricas Aéreas de las ciudades de la Costa Peruana.

4.3. Causas Atribuibles al Deterioro
El deterioro es producto de la superposición de varios agentes relacionados al medio ambiente, a las especificaciones mecánicas, a la ejecución de la instalación; y a las características de los materiales que componen la red; no obstante la variedad de solicitaciones emergentes, el proceso de deterioro de los conductores se apoya o identifica con diferentes formas de ataque corrosivo que actúan simultáneamente y cíclicamente día a día hasta producir la rotura.

4.4 Posibilidad de Contrarrestar el Deterioro
Una vez instaladas las redes eléctricas, se inician los procesos de deterioro cuyo avance depende principalmente del material seleccionado para el conductor. Después no hay posibilidad de deternerlos o contrarrestarlos, salvo mediante su reemplazo por otro conductor de mejor desempeño. Cualquier iniciativa de mantenimiento con recubrimientos o grasas solo constituirá un paliativo pasajero.

 5. ¿CUALES SON LAS PAUTAS COMPLEMENTARIAS DE DISEÑO ?

La selección de los conductores y accesorios de conexión de las redes de distribución, debería estar supeditada en primer lugar a la localización del proyecto y a las características del entorno que incidirán directamente en la infraestructura. Dichos aspectos permiten la adecuada elección del material mediante un análisis detenido, especialmente cuando intervienen fuentes de contaminación y microclimas.

• 5.1 Examen de la Ubicación Geográfica: Cuando la ubicación se halla en la zona de litoral, es fundamental el análisis del entorno. La posible agresividad del medio ambiente puede ser inferida a priori de la TABLA N° 3, a partir de la distancia al mar de las futuras instalaciones. Luego, dicho indicador será verificado "in situ" con respecto a la corrosión. Si la ubicación corresponde a áreas de Sierra o Selva, el examen procede en caso de presencia de fuentes de contaminación.

• 5.2 Examen de las Fuentes de Contaminación: Se hace en la zona de localización del proyecto indistintamente si se trata de áreas costeras o de interior; basta tener conocimiento de su proximidad a fuentes de contaminación. Para inferir o corroborar la agresividad del medio ambiente y la extensión territorial de dicha condición, se toman muestras de contaminación depositadas en superficies no metálicas expuestas; luego se caracteriza el equivalente salino Mg Cl Na/cm2, el porcentaje de las sales solubles y el pH. Todo contenido de Cloro libre o Cloruros próximos o superiores a 0.7 % o pH en los lados ácido o alcalino, denotará atmósfera corrosiva.

• 5.3 Examen de los Parámetros Ambientales. Los parámetros meteorológicos y atmosféricos deben merecer un examen retrospectivo de por lo menos 5 años de registros de magnitudes absolutas máximas y mínimas. El resultado de dicho análisis permitirá inferir principalmente la incidencia de la humedad relativa, los gradientes de temperatura, las precipitaciones pluviales y la velocidad predominante del viento y su dirección. Esto ayudará a definir las áreas de dudosa condición o permitirá focalizar el grado de corrosividad del sitio.

6. CONCLUSIONES

• La experiencia peruana en el desempeño de los conductores en Redes Eléctricas de Distribución, muestra que la atmósfera costera es agresiva para los materiales en función de su ubicación respecto al mar, hasta la cota 500m.

• El necesario análisis para una adecuada elección del material de los conductores de las Redes Eléctricas Aéreas de Distribución y Baja Tensión, se facilita a partir de la correlación de la variación de los parámetros del entorno y de los mecanismos de deterioro asociados a los materiales.

• La elección del material de los conductores bajo el criterio de mínima inversión inicial, sin el examen de la agresividad del medio ambiente, puede conducir a una instalación vulnerable no confiable, insegura y corta vida.