Un cable eléctrico que comprende un conductor, una capa interna de material que comprende el conductor,

caracterizado por una pluralidad de aletas que se extienden longitudinalmente hacia afuera de dicha capa interna, una capa de aislamiento externa, cuyo interior hace contacto por lo menos parcialmente las porciones superiores de la aleta formando por lo tanto las regiones del canal que consisten del espacio entre aletas y entre la capa interna y la capa de aislamiento externa, y un material dentro de las regiones del canal que suministran propiedades autosellantes al cable, dicho cable eléctrico se produce al formar la capa interna, las aletas, el material autosellante, y el aislamiento externo a través de una aplicación multicapa combinada al conductor.

Cable autosellante eléctrico que tiene una capa interna con aleta

Antecedentes de la invención

Los cables eléctricos sólidos y trenzados aislados son bien conocidos en la técnica. De manera general los cables trenzados incluyen un conductor central trenzado con una cubierta de aislamiento de protección dispuesta alrededor del conductor.

La causa más frecuente de falla de los cables secundarios de aluminio directamente enterrados es un corte o punción en el aislamiento inflingido durante o después de la instalación. Esto conduce a la corrosión del aluminio para la corriente alterna y finalmente a que se abra el circuito. Cuando se expone un conductor a un suelo húmedo, luego del daño, la corriente de escape puede fluir y originar la conversión electroquímica localizada del aluminio a óxido de aluminio hidratado y eventualmente a un circuito abierto del conductor.

En los Estados Unidos miles de estos casos ocurren anualmente y la reparación (ubicación, excavación, reparación y reemplazo) puede ser muy costosa. Como resultado de las fallas y en respuesta este problema, se introduce un sistema de aislamiento más fuerte y se convierte en un estándar de la industria. Un cable más fuerte se describe como “reforzado”, y de manera general consiste de dos capas: una capa interna de polietileno de con peso de baja densidad y una capa externa de polietileno de alta densidad. Este diseño es más resistente al daño mecánico que aquel que posee polietileno de baja densidad, pero aún puede dar como resultado en una exposición del conductor de aluminio de si se involucra un impacto suficiente.

Las investigaciones muestran que la corriente de electrólisis de CA puede aproximar la rectificación de media onda cuando la densidad de la corriente es alta. Esto cuenta para la pérdida rápida de metal de aluminio frecuentemente experimentada en el campo. Una solución cáustica (pH 10-12) desarrolla la superficie de aluminio y disuelve la película de óxido protectora.

El mecanismo de la falla del cable de aluminio es la formación de óxido de aluminio hidratado. En la medida en que se forman los sólidos de óxido de aluminio, el aislamiento en la vecindad de la punción es forzado a hincharse y se divide, marcando áreas más grandes de la superficie del conductor de aluminio disponible para electrólisis, incrementando así el escape de corriente y acelerando el proceso de corrosión. La pérdida rápida de aluminio mediante electrólisis CA continúa hasta que finalmente en el cable se abre el circuito. Se crea un ambiente cáustico en el aluminio, interfaz de electrolito, que disuelve la película de óxido protectora.

Se supone que el aislamiento del tipo reforzado o resistente al abuso protege el cable del abuso físico. Aunque este ayuda con el problema, este no elimina las fallas de los cables de 600 V. Los servicios públicos han reportado recientemente que varían los números de las tasas de falla de cable de distribución enterrado de aluminio de 600 V dispersos entre 70 y 7000 por año. Las fallas se evidencian por una condición de circuito abierto acompañada por una corrosión severa del conductor de aluminio.

No se conocen todas las razones para las fallas de 600 V, pero se han postulado diversas por los usuarios del cable. Estos cables parecen experimentar un alto grado de mortalidad infantil, seguido por fallas que ocurren durante décadas. Las mortalidades infantiles están usual y directamente relacionadas con los daños causados por los servicios públicos adyacentes, el daño infligido por la jardinería y la plantación, o el daño a los cables antes de o durante la instalación. Las fallas que ocurren años más tarde son más difíciles de explicar. Ha habido propuestas por daños de rayos, defectos de elaboración, o degradación del aislamiento durante la vida de la instalación.

Con el fin de entender mejor las características de aislamiento, se conducen estudios de las fallas de la CA y las fallas de impulso de la CD. Los estudios de las fallas de la CA en diferentes cables muestran un alto margen de seguridad del desempeño. Cada uno de estos cables tiene un grosor en la pared de 0.080 pulgadas. Se conducen pruebas en conductos rellenos de agua. La resistencia a la falla en la CA de todos estos cables está consistentemente por encima de los 20 kV, lejos de la tensión de operación.

Se han efectuado también estudios de falla de impulso en diversas construcciones con cables de 600 V que tienen diferentes formulaciones de aislamiento. El nivel de la falla de impulso de estos cables es de aproximadamente 150 kV. Esto excede los requisitos BIL de un sistema de cable de 15 kV y debe exceder buen los impulsos en los cables secundarios de 600 V durante la operación.

Se miden los márgenes anteriores del desempeño eléctrico en los nuevos cables. ellos están muy por encima de lo que se requiere para operar un sistema de 600 en razón a que la mayoría de estos cables operan a 120 V a tierra. Una de estas pruebas durante el desarrollo del compuesto y del producto es una prueba de resistencia de aislamiento de largo plazo efectuada en agua a una temperatura operativa calificada del aislamiento. Para los cables de polietileno entrecruzados la temperatura del agua es de 90° C. La resistencia del aislamiento debe demostrar la estabilidad y estar por encima de los valores mínimos para un mínimo de doce semanas. Si hay inestabilidad indicada, la prueba se continúa de manera indefinida. La permisividad relativa se mide a 80 v/mil y debe cumplir valores específicos. El incremento en la capacitancia y el factor de disipación también se miden en agua a 90° C durante un periodo de 14 días. Los compuestos del aislamiento utilizados en los cables de hoy en día cumplen fácilmente estos requisitos.

Los efectos de elaboración del aislamiento del cable se encuentran durante la producción mediante cualquiera de los dos métodos. Durante el proceso de extrusión, el cable se envía a través de un probador de chispa, donde se aplica CD de 28 kV, o CA de 17kV, a la superficie de aislamiento. Cualquier efecto de elaboración que de como resultado un hueco en el aislamiento iniciará una descarga, que se detecta mediante el probador de chispa. La mayoría de los fabricantes utilizan este método. Otra prueba que también se emplea a menudo es una prueba de inmersión en agua de un carrete completo. En esta prueba se aplica CD de 21 kV, o CA de 7 kV AC al cable después de inmersión durante 1 hora o 6 horas, dependiendo de si el cable es un montaje plexado o un conductor único, respectivamente. Los voltajes presentes utilizados para estas pruebas dependen del grosor de la pared. Los valores anteriores son para una pared de 0.080 pulgadas.

Las pruebas anteriores han demostrado el desempeño eléctrico que es estable y que sobrepasa de lejos los requisitos del aislamiento para los cables de 600 V. Esto no explica una falla de cable súbita después de muchos años de operación. Tal falla súbita se puede explicar mediante un mejor entendimiento del mecanismo de la falla en la corrosión del aluminio en la presencia de una corriente de escape alterna que es una combinación de dos diferentes mecanismos. El aluminio normalmente logra una gran protección contra la corrosión mediante una capa de barrera relativamente delgada del óxido de aluminio, y una capa con masa permeable del óxido. Sin embargo, los defectos o grietas existen en estas capas, las cuales le suministran un punto para que la reacción de corrosión inicie. El metal en contacto con el agua experimenta un ciclo anódico (iones positivos que se mueven hacia la solución) y catódico, sesenta veces por segundo.

Durante el ciclo medio anódico de la corriente de escape, los iones de aluminio dejan la superficie metálica a través de estos defectos y se combinan con los iones hidroxilo en el agua que circunda el cable. Esta reacción da como resultado la picadura del metal y la formación de hidróxido de aluminio, la evidencia del polvo blanco en los cables corroídos. También ocurre otra reacción importante, los iones de hidroxilo se atraen hacia la superficie metálica durante este ciclo medio, que incrementa el pH, provocando un deterioro cáustico de la capa de óxido, exponiendo adicionalmente más aluminio.

Durante el ciclo medio catódico ocurre otra reacción. Los iones de hidrógeno se impulsan a la superficie de aluminio. En lugar de neutralizar la concentración hidroxi cáustica, los iones de hidrógeno se combinan y forman gas de hidrógeno, que deja el cable. El vaciamiento... [Seguir leyendo]

1. Un cable eléctrico que comprende un conductor, una capa interna de material que comprende el conductor, caracterizado por una pluralidad de aletas que se extienden longitudinalmente hacia afuera de dicha capa interna, una capa de aislamiento externa, cuyo interior hace contacto por lo menos parcialmente las porciones superiores de la aleta formando por lo tanto las regiones del canal que consisten del espacio entre aletas y entre la capa interna y la capa de aislamiento externa, y un material dentro de las regiones del canal que suministran propiedades autosellantes al cable, dicho cable eléctrico se produce al formar la capa interna, las aletas, el material autosellante, y el aislamiento externo a través de una aplicación multicapa combinada al conductor.

2. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde el conductor se forma mediante una pluralidad de alambres trenzados juntos.

3. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde la capa interna, las aletas, y la capa externa son del mismo material.

4. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde la capa interna, las aletas, y la capa externa son de diferentes materiales.

5. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde la capa interna y las aletas son del mismo material y la capa externa es de un material diferente.

6. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde la capa externa y las aletas son del mismo material y la capa interna es de un material diferente.

7. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas están comprendidas de más de 0 por ciento a menos de aproximadamente 100 por ciento del mismo material que la capa interna.

8. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas están comprendidas de más de 0 por ciento a menos de aproximadamente 100 por ciento del mismo material que la capa externa.

9. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde la proporción de la altura al ancho de la aleta de las regiones del canal es de aproximadamente 0.1 a aproximadamente 2.0.

10. El cable eléctrico de la reivindicación 9 en donde la proporción de la altura al ancho de la aleta de las regiones del canal es de aproximadamente 0.25 a aproximadamente 1.00.

11. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas están sustancialmente espaciadas igualmente alrededor de la circunferencia de la capa interna.

12. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas están irregularmente espaciadas alrededor de la circunferencia de la capa interna.

13. El cable eléctrico de la reivindicación 1 que tiene por lo menos 2 aletas.

14. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde el grosor de la base sobre el cual se unen las aletas a la capa interna de por lo menos aproximadamente 10% del ancho de las aletas.

15. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las porciones superiores de las aletas se unen al interior de la capa de aislamiento externa.

16. El cable eléctrico de la reivindicación 15 en donde las porciones superiores de las aletas se unen al interior de la capa de aislamiento externa por un enlace polimérico.

17. El cable eléctrico de la reivindicación 16 en donde el enlace es entre por lo menos 50% de la porción superior de las aletas y la porción interior de la capa de aislamiento externa.

18. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas son longitudinalmente sustancialmente rectas.

19. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas sustancialmente forman un espiral longitudinal.

20. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde las aletas son sustancialmente oscilatorias alrededor del eje del cable.

21. El cable eléctrico de la reivindicación 1 en donde dicho material que suministra propiedades autosellantes es un dieléctrico.

22. El cable eléctrico de la reivindicación 21 en donde dicho material es fluible a aproximadamente 25° C.

23. El cable eléctrico de la reivindicación 22 en donde dicho material tiene un valor de penetración de aguja de 100 gramos mayor de 1 centésimo de un milímetro a 25° C.

24. El cable eléctrico de la reivindicación 22 en donde dicho material es un material polimérico.

25. El cable eléctrico de la reivindicación 24 en donde dicho material es un isómero.

26. El cable eléctrico de la reivindicación 25 en donde dicho material es poliisobuteno.

27. Un método para elaborar un cable eléctrico aislado que mitigue los efectos de los vacíos, punciones, o grietas formadas en el aislamiento antes de la instalación del cable, durante la instalación del cable, y después que se coloca el cable en servicio que comprende las etapas de:

(a) formar un conductor;

(b) suministrar una capa interna de material al exterior del conductor;

(c) suministrar una capa de material de aislamiento externo que circunde el material de la capa interna; caracterizado por las etapas adicionales de:

(d) formar una pluralidad de aletas que se extienden externamente entre el material de la capa interna y el material de la capa externa, estableciendo de esta manera regiones del canal que consisten de espacio entre aletas y entre el material de la capa interna y el material de la capa externa; y

(e) suministrar in material en las regiones del canal que suministran propiedades autosellantes;

en donde el material de la capa externa incluya el conductor, la capa interna, las aletas, y el material que tiene propiedades autosellantes al poner en contacto la porción superior de las aletas, y en donde se efectúan simultáneamente las etapas b, c, d, y e.

28. El método de la reivindicación 27 en donde las etapas (b) , (c) , (d) , y (e) se efectúan en un paso al suministrar el material de la capa interna, el material de aleta, el material autosellante, y el material aislamiento externo como un flujo multicapa único al conductor.

29. El método de la reivindicación 27 en donde el conductor se forma mediante una pluralidad de alambres trenzados juntos.

30. El método de la reivindicación 27 en donde dicho material que tiene propiedades autosellantes es un dieléctrico.

31. El método de la reivindicación 30 en donde dicho material es fluible a aproximadamente 25° C.

32. El método de la reivindicación 31 en donde dicho material tiene un valor de penetración de aguja de 100 gramos mayor de 1 centésimo de un milímetro a 25° C.

33. El método de la reivindicación 32 en donde dicho material es un material polimérico.

34. El método de la reivindicación 33 en donde dicho material es un isómero.

35. El método de la reivindicación 34 en donde dicho material es un poliisobuteno.

36. El método de la reivindicación 27 en donde las aletas se forman al bloquear parcialmente el flujo del material autosellante.

37. El método de la reivindicación 27 en donde las aletas se forman al combinar las capas internas y externas.

38. El método de la reivindicación 27 en donde las porciones superiores de las aletas se unen al interior de la capa de aislamiento externa.

39. El método de la reivindicación 27 en donde las aletas están comprendidas de más de 0 por ciento a menos de aproximadamente 100 por ciento del mismo material que la capa interna.

40. El método de la reivindicación 27 en donde las aletas están comprendidas de más de 0 por ciento a menos de aproximadamente 100 por ciento del mismo material que la capa externa.

41. Un cable eléctrico producido mediante el método de la reivindicación 27 que tiene, por 15, 2 m (50 pies) de cable, menos de aproximadamente 12, 7 mm (0.5 pulgadas) de retroencogimiento de las capas internas y externas posterior a lograr un corte circular completo de dichas capas y envejecimiento de una semana.

42. Un cable eléctrico producido mediante el método de la reivindicación 41 que tiene, por 15, 2 m (50 pies) de cable, inicialmente menos de aproximadamente 5.1 mm (0.2 pulgadas) de retroencogimiento de las capas internas y externas después de efectuar un corte circular completo de dichas capas.

Ubicaciones de Daño

Figura 9: Izquierda a Derecha Muestra 4 (Control) y Muestras 5-7 (Autosellante) después de 91 días en prueba

Figura 10: Muestra 3 (Control) con corrosión significativa después de 91 días en la prueba Figura 11: Muestra 8 (Autosellante) Corrosión no visible después de 91 días en la prueba