ES2663329T3 - Cables eléctricos con elementos de resistencia - Google Patents

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ES2663329T3
ES2663329T3 ES14711086.0T ES14711086T ES2663329T3 ES 2663329 T3 ES2663329 T3 ES 2663329T3 ES 14711086 T ES14711086 T ES 14711086T ES 2663329 T3 ES2663329 T3 ES 2663329T3
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Andrew Maunder
Gonzalo Chavarria
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Abstract

Un cable (100) eléctrico, que comprende: al menos dos primeros miembros (102) que se extienden a lo largo de una longitud del cable (100) eléctrico, comprendiendo cada uno de los primeros miembros (102) un elemento (112) conductor y una capa (302) aislante radialmente externa con respecto al elemento (112) conductor; al menos dos segundos miembros (104) que se extienden a lo largo de la longitud del cable (100) eléctrico, comprendiendo cada uno de los segundos miembros (104) un elemento (106) de resistencia y una capa (118) conductora radialmente externa con respecto al elemento (116) de resistencia; y estando los primeros y segundos miembros (102,, 104) trenzados alrededor de y en contacto con una cuna (106) que se extiende a lo largo de la longitud del cable (100) eléctrico; caracterizado porque la cuna (106) está fabricada de un material polimérico con un módulo de elasticidad a la tracción superior o igual a 1 GPa y una temperatura de reblandecimiento Vicat superior o igual a 125º C.

Description

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DESCRIPCION
Cables eléctricos con elementos de resistencia Campo técnico
La presente invención se refiere a cables eléctricos con elementos de resistencia. Más concretamente, la presente invención se refiere a cables eléctricos con elementos de resistencia que se extienden a lo largo de la longitud de los cables eléctricos para incrementar la resistencia a la tracción de los cables eléctricos.
Antecedentes
La resistencia a la tracción es un atributo importante de los cables eléctricos. La resistencia a la tracción puede representar un problema específico para cables de alimentación de largos recorridos en orientaciones verticales o sustancialmente verticales (en lo sucesivo designadas como "recorrido vertical"), como por ejemplo pozos de mina y edificios de gran altura, especialmente en el caso de grandes cables (con unos tamaños de conductores mayores de aproximadamente 53,5 mm2 o 1/0 AWG).
En la presente divulgación, mediante el término "recorrido" significa una sección de cable que se sitúa libremente entre dos puntos de soporte consecutivos.
Para obtener un factor de seguridad suficiente, puede ser necesario que la resistencia a la tracción del cable eléctrico sea varias veces la fuerza ejercida por el peso del recorrido específico del cable eléctrico. Debe requerirse factores de seguridad estándar de la industria de hasta 7 (por ejemplo, una resistencia a la tracción siete veces el peso del recorrido del cable eléctrico), dependiendo de la aplicación.
Para recorridos verticales largos, los conductores de un cable eléctrico típicamente no pueden aportar la suficiente resistencia a la tracción. Para paliar este problema, pueden ser utilizados unos recorridos de cables descentrados y / o unos elementos de resistencia a la tracción incluidos como parte de la estructura del cable eléctrico.
En un recorrido de cables descentrados, un recorrido vertical de cable eléctrico puede ser interrumpido por una incurvación en un ángulo de 90° o más en, por ejemplo, una caja de conexiones, y, a continuación, discurrir horizontal o sustancialmente en sentido horizontal a lo largo de una cierta distancia (típicamente no inferior a dos veces el diámetro del cable eléctrico) antes de recuperar un recorrido vertical. De esta manera, el recorrido vertical largo se divide en dos o más recorridos verticales más cortos. Un recorrido vertical largo puede a menudo requerir múltiples desviaciones y ello complica la instalación e invade propiedades inmuebles de valor en una superficie de base determinada. Como resultado de ello, los descentramientos pueden no ser prácticas para recorridos verticales largos.
Los elementos de resistencia a la tracción incluidos como parte de la estructura del cable eléctrico pueden adoptar diversas formas.
La Patente estadounidense No. 4,956,523 se refiere a un cable eléctrico blindado que incorpora unos miembros de tracción solidarios para obtener una resistencia a la tracción adicional. Los miembros de tracción están insertados en una camisa interior de cloruro de polivinilo (PVC) que sujeta firmemente los conductores aislados centrales sobre los cuales está extruida. La camisa está, a su vez, firmemente sujeta mediante una cubierta de blindaje formada a partir de una banda de acero. De esta manera, en la posición vertical, gran parte del peso de los conductores aislados, camisas y el revestimiento de blindaje pueden ser soportados por los miembros de tracción sin producir deslizamientos o fugas longitudinales peligrosas entre ellos. Sin embargo, con la camisa interna de PVC y la cubierta de blindaje, este diseño de cable resulta muy pesado.
Así mismo, el Solicitante ha comprobado que los elementos de tracción dispuestos dentro de los intersticios situados entre los conductores aislados pueden deslizarse por dentro de los conductores debido a la carga de tracción a las temperaturas operativas de los cables.
La patente estadounidense No. 4,467,138 se refiere a un cable de comunicación de construcción plana. Los pares de cables están situados a los lados opuestos de un cable de refuerzo o soporte central que pueden estar compuestos por un cable de acero revestido de cobre. Aunque el cable de comunicación puede presentar unos recorridos verticales largos, la estructura y, especialmente, el peso del cable de comunicación es significativamente distinto de un cable eléctrico para la transmisión de energía.
La patente estadounidense No. 4,002,820 se refiere a un cable de alimentación que incorpora un conductor de monitoreo de tierra extensible para su uso en operaciones de minería. El cable incluye una cuna, en cuyo centro está insertado el conductor de monitoreo de tierra. La cuna soporta tres conductores de energía enrollados de forma helicoidal fabricados a partir de una pluralidad de filamentos de cables metálicos cubiertos con una capa de aislamiento elastomérica. La cuna está fabricada de un material aislante semiconductor compuesto por el mismo material elastomérico que el aislamiento, pero que contiene una cantidad predeterminada de negro de humo. La cuna soporta también tres conductores de puesta a tierra insertados uno entre cada conductor de energía. Los
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conductores de puesta a tierra están cada uno compuestos por una pluralidad de filamentos de hilos metálicos y están cubiertos con una capa elastomérica semiconductora del mismo material que la cuna.
La Solicitud de patente alemana No. DE 32 24 597 A1 se refiere a un cable de alimentación que contiene, en el núcleo o en los intersticios de los conductores eléctricos trenzados simétricamente distribuidos a lo largo de la sección transversal de la línea, uno o más conductores ópticos que están provistos de un revestimiento de material trenzado o malla fabricado de unos elementos de tracción y que ocupan la entera capacidad de la línea. Como elementos de tracción, se contemplan trenzados de acero o plástico o trenzados de acero - cobre.
El documento "Cables Eléctricos Flexibles para Aplicaciones de Minería", página 39 (Pirelli, 2000), da a conocer que los cables eléctricos flexibles en aplicaciones de minería no deben ser sometidos a esfuerzos por encima de los límites establecidos para las fuerzas de tracción permisibles. Si se esperan fuerzas de tracción más elevadas, los elementos de soporte tienen que disponerse como parte de la estructura del cable. Un elemento de soporte puede estar situado en el centro del cable.
Estos problemas no se limitan a los cables eléctricos con recorridos verticales largos. Pueden presentarse otras situaciones en las que la resistencia a la tracción de los cables eléctricos puede constituir un problema específico.
Cables eléctricos de la técnica relacionada se analizan, por ejemplo, en la Solicitud de Patente de estadounidense No. 2012/0082422 A1 de Sarchi et al., en el Modelo de Utilidad alemán DE 7613743 U1 de Siemens AG y en el documento "Cables Eléctricos Flexibles para Aplicaciones de Minería", anteriormente analizado.
Sumario
El Solicitante ha afrontado el problema técnico de suministrar una resistencia a la tracción para cables eléctricos para la transmisión y distribución de energía que presenten largos recorridos verticales. Los elementos de resistencia a la tracción están típicamente dispuestos en la estructura de cables eléctricos para este tipo de aplicación. Los elementos de resistencia a la tracción pueden ser trenzados con los elementos del núcleo del cable eléctrico. Sin embargo, el Solicitante ha observado que, cuando son sometidos a temperaturas operativas bajo una carga de tracción, los elementos de resistencia a la tracción pueden deslizarse por entre los conductores aislados sometidos a una carga, la hélice formada por los miembros de resistencia a la tracción pueden apretarse y provocar que los miembros de resistencia a la tracción se introduzcan entre los elementos del núcleo, desenrollándolos y alterando la geometría del cable, el alargamiento del cable y la transferencia de la carga hacia los elementos del núcleo.
En el caso de un elemento de resistencia a la tracción dispuesto en la posición central axial de un cable eléctrico, el Solicitante ha percibido que el elemento de resistencia a la tracción central normalmente no es tan flexible como una pluralidad de elementos de resistencia a la tracción trenzados con el núcleo del cable, no puede fácilmente accederse a ellos para su sujeción, y su uso como elemento de soporte primario solo es normalmente aceptable para longitudes más cortas de recorridos verticales y / o tamaños de cable de diámetros más pequeños.
El Solicitante ha encontrado que los problemas anteriores pueden resolverse trenzando unos conductores aislados y unos miembros de resistencia a la tracción del cable eléctrico alrededor de una cuna que presente una resistencia mecánica predeterminada y capaz de retener su forma y características a la temperatura operativa del cable.
En particular, la cuna está configurada para soportar las fuerzas de compresión ejercidas por los elementos del núcleo y los miembros de resistencia a la tracción, en particular cuando los miembros de resistencia a la tracción están sometidas a tensión a la temperatura operativa del cable.
En un primer aspecto, la presente invención se refiere a un cable eléctrico de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:
al menos dos primeros miembros que se extienden a lo largo de una longitud del cable eléctrico, comprendiendo cada uno de los cables un elemento conductor y una capa aislante externa radialmente con respecto al elemento conductor;
al menos dos segundos miembros que se extienden a lo largo de la longitud del cable eléctrico, comprendiendo cada uno de los segundos miembros un elemento de resistencia y una capa conductora radialmente externa con respecto al elemento de resistencia; y estando los primero y segundos miembros trenzados alrededor de y en contacto con una cuna que se extiende a lo largo de la longitud del cable eléctrico;
en el que la cuna está fabricada de un material polimérico con un módulo de resistencia a la tracción mayor o igual a 1 GPa y una temperatura de reblandecimiento Vicat superior que o igual a 125° C.
Los elementos de resistencia de los segundos miembros actúan como miembros de resistencia a la tracción en el cable de la invención. De modo preferente, los elementos de resistencia están fabricados a partir de un material polimérico, lo que se traduce en que los elementos de resistencia sean más ligeros que los elementos fabricados a
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partir de un material metálico. De modo preferente, la capa conductora de un segundo miembro está fabricada de un metal (por ejemplo, cobre, aluminio o aleaciones o compuestos de estos) con un grosor apropiado para actuar como un conductor de tierra. Dicho grosor está dimensionado a la vista de los estándares nacionales o internacionales, como se da a conocer, por ejemplo, por la Guía Práctica de la Puesta a Tierra Eléctrica, W. Keith Switzer, 1999, página IV (Librería del Congreso Número de Tarjeta de Catálogo: 99-72910).
A los fines de la presente descripción y de las reivindicaciones adjuntas, a menos que se indique otra cosa, todos los números que expresan montos, cantidades, porcentajes, etc., deben considerarse como modificados en todos los casos por el término "aproximadamente". Así mismo, todos los intervalos incluyen cualquier combinación de los puntos máximos y mínimos divulgados e incluyen cualquier intervalo intermedio entre ellos, que pueden o pueden no enumerarse especifficamente en la presente memoria.
Los cables eléctricos de la invención pueden ser cables de bajo voltaje, cables de medio voltaje o cables de alto voltaje. En la presente divulgación, el término "bajo voltaje" significa un voltaje inferior a 1 kilovoltio (kV); "medio voltaje" significa un voltaje superior o igual a 1 kV e inferior o igual a 35 kV; y "alto voltaje" significa un voltaje superior a 35 kV.
Los cables eléctricos de las formas de realización ejemplares son, de modo preferente, utilizados para la transmisión eléctrica de corriente alterna (CA).
En la presenta divulgación, el término "capa eléctricamente aislante" significa una capa de cubierta fabricada de un material con propiedades aislantes, es decir con una rigidez dieléctrica (resistencia a la ruptura dieléctrica) apropiada para la operación del voltaje previsto del cable de acuerdo con los estándares locales o internacionales. En la presente divulgación, el 'termino "polímero expandido" significa un polímero que tiene un porcentaje de su volumen no ocupado por el polímero, sino por aire o gas, o por microesferas expansibles o tecnología similar. En la presente divulgación, el término "polímero no expandido" significa un polímero que no presenta un porcentaje de su volumen ocupado por aire o gas, o por microesferas expansibles o tecnología similar.
En la presente divulgación, el término "capa semiconductora" significa una capa de cubierta fabricada de un material con propiedades semiconductoras, como por ejemplo una matriz polimérica con negro de humo, para obtener un valor resistivo volumétrico, a temperatura ambiente, de menos de 500 metros ohmio (Q - m) y, de modo preferente, inferior a 20 Q - m. La cantidad de negro de humo puede variar, por ejemplo, entre un 1% y un 50% en peso con respecto al peso del polímero y, de modo preferente, entre un 3% y un 30% en peso con respecto al peso del polímero.
En la presente divulgación, el término "relleno de refuerzo" significa un relleno - típicamente un material particulado o filamentoso capaz de mejorar las características mecánicas del material dentro del que está dispersado.
Los primeros miembros del cable de la invención pueden comprender, además de un elemento conductor y de una capa aislante radialmente externa con respecto al elemento conductor, una capa interna y, de manera opcional, una capa externa semiconductora. La capa semiconductora interna está situada entre y en contacto con el elemento conductor y la capa aislante. La capa semiconductora externa está dispuesta en posición radialmente externa y en contacto con la capa aislante.
De modo ventajoso, los primeros miembros pueden comprender una pantalla metálica dispuesta en posición radialmente externa con respecto a la capa aislante y, en algunos casos, con respecto a la capa semiconductora externa.
En algunas formas de realización ejemplares, el elemento de resistencia de un segundo miembro está fabricado de un material - de modo ventajoso, un material polimérico - con una resistencia a la ruptura tal que proporcione al menos un factor de seguridad (SF) mínimo, según se define por la norma estándar o de diseño aplicable. De modo ventajoso, el valor de la resistencia a la ruptura para los elementos de resistencia del cable de la invención es tal que exceda del SF mínimo entre un 10 y un 20%, como mucho.
En la presente divulgación, el término "factor de seguridad" significa un término que define la capacidad estructural de un elemento o sistema más allá de las cargas esperadas o de las cargas reales. Se calcula como sigue:
SF = (N x B) / (CWx L)
en la que N es el número de miembros de resistencia; en la que B es la resistencia a la ruptura de los miembros de tracción; en la que CW es el peso de cable por unidad de longitud; y en la que L es la longitud del recorrido vertical del cable.
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Puede contemplarse otros parámetros para calcular el SF de acuerdo con el trazado específico del cable. Por ejemplo, el experto en la materia podría incluir un parámetro relacionado con el procedimiento de terminación de los extremos del cable.
El mínimo SF se establece mediante estándares nacionales o internacionales, por ejemplo, por el estándar ICEA S- 93-639-2012 el cual, en el caso de cables verticales, prescribe un SF no inferior a 5 para aplicaciones de eje y no inferior a 7 para aplicaciones de eje.
El módulo de elasticidad a la tracción del material de cuna de la invención se ajusta al baremo D638-10 de la ASTM. En algunas formas de realización ejemplares, el material de la cuna presenta un medio de elasticidad a la tracción inferior o igual a 1,7 GPa. De modo preferente, un material de cuna presenta un módulo de elasticidad a la tracción superior o igual a 1,0 GPa.
La temperatura de reblandecimiento Vicat del material de cuna de la invención se ajusta al baremo D1525-09 de la ASTM. La temperatura de reblandecimiento Vicat de la cuna puede ascender hasta 160° C o más. El valor Vicat apropiado más alto puede seleccionarse a la vista de las temperaturas operativas de emergencia máximas exigidas por un estándar nacional o internacional específico del cable.
De modo preferente, la cuna comprende un material polimérico de diseño resistente a la deformación. En particular, la cuna comprende un plástico diseñado resistente a la deformación calculado para al menos 90° C. En la presente divulgación, el término "plástico de diseño resistente a la deformación" significa un material con una dureza Shore D de entre 45 y 75 (medido con arreglo a la norma D 2240-05 de la ASTM a temperatura ambiente).
En algunas formas de realización ejemplares, un material de la cuna puede seleccionarse entre fibra de vidrio o un material termoplástico, por ejemplo tereftalato de polietileno, poliamida, un poliéster, polipropileno, polietileno, por ejemplo polietileno de alta densidad - siendo el material termoplástico adicionado con un relleno de refuerzo inorgánico por ejemplo nanoarcilla, fibra de aramida o fibra de vidrio.
En algunas formas de realización ejemplares, cada segundo miembro está trenzado entre dos primeros miembros.
En algunas formas de realización ejemplares, la cuna comprende un canal axialmente centrado, que se extiende longitudinalmente, configurado para albergar al menos un elemento de fibra óptica.
De modo preferente, los primeros miembros están trenzados con la longitud de paso máxima permitida por el estándar nacional o internacional seleccionado. Esto permite limitar las fuerzas rotacionales que surgen en el cable al mismo tiempo que no afectan de manera negativa a la flexibilidad del cable. Los segundos miembros, de modo ventajoso, presentan el mismo paso helicoidal que los primeros miembros.
El cable eléctrico de acuerdo con la invención puede incluir 2, 3, 4 o más primeros miembros. Los primeros miembros pueden estar dispuestos de forma simétrica, de forma que presenten un eje o unos ejes geométricos de simetría y / o una simetría rotacional.
El cable eléctrico de acuerdo con la invención puede incluir 2, 3, 4 o más segundos miembros. Los segundos miembros pueden estar dispuestos de manera simétrica, por ejemplo disponiendo un eje o unos ejes geométricos de simetría y / o una simetría rotacional.
El número de primeros miembros con respecto al número de segundos miembros puede ser múltiple entre sí. puede haber, por ejemplo, dos primeros miembros o dos o cuatro o seis segundos miembros, o tres primeros miembros y tres, seis o nueve segundos miembros. Al contrario, puede haber por ejemplo, dos segundos miembros y dos o cuatro o seis primeros miembros, etc. Esta relación estructural está adaptada para preservar la simetría del cable.
El cable de la invención puede además comprender una vaina radialmente externa con respecto a los primeros y segundos miembros y, de modo ventajoso, un relleno entre la vaina y los primeros y segundos miembros. En la posición radialmente externa con respecto al relleno y en posición radialmente interna con respecto a la vaina, pueden situarse otras capas, por ejemplo una capa de polímero expandido, una capa de revestimiento continua que
actúe como barrera química y una capa de sellado. De modo preferente, al menos existen al menos la capa de
polímero expandido y la capa de sellado, siendo la segunda externa con respecto a la primera. De modo más
preferente, existe la capa de revestimiento continua que actúa como capa barrera interpuesta entre la capa de
polímero expandida.
Se debe entender que tanto la descripción general precedente como la descripción detallada subsecuente son únicamente ejemplares y explicativas y no son restrictivas de la invención, según esta queda reivindicada.
Breve descripción de los dibujos
Los anteriores y / u otros aspectos y ventajas se pondrán de manifiesto con mayor claridad y se podrán apreciar con mayor facilidad a partir de la descripción detallada subsecuente de formas de realización ejemplares tomadas en combinación con los dibujos que se acompañan:
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La FIG. 1 es una vista en perspectiva de un cable eléctrico de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares;
la FIG. 2 es una vista esbozada en sección transversal del cable eléctrico de la FIG. 1 de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares;
la FIG. 3 es una vista en sección transversal de un cable eléctrico de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares;
la FIG. 4 es una vista en sección transversal de un cable eléctrico de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares;
la FIG. 5 es una vista en sección transversal de un cable eléctrico con unos elementos de resistencia que se extienden a lo largo de la longitud del cable eléctrico, con la al menos una capa de aislamiento de los primeros miembros representada como una única capa y la vaina del cable eléctrico representada como una única capa de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares; y
la FIG. 6 es una vista en sección transversal de un cable eléctrico con elementos de resistencia que se extienden a lo largo de la longitud del cable eléctrico, con la al menos una capa aislante de los primeros miembros representada como una única capa y la vaina del cable eléctrico representada como una única capa, de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares.
Descripción detallada de formas de realización ejemplares
A continuación se describirán con mayor detenimiento formas de realización ejemplares con referencia a los dibujos que se acompañan. Las formas de realización ejemplares, sin embargo, pueden incorporar en muchas formas y no deben interpretarse como limitativas de las formas de realización ejemplares definidas en la presente memoria. Antes bien, estas formas de realización ejemplares se disponen de manera que la presente divulgación sea total y completa, y traslade completamente el alcance de la invención a los expertos en la materia. En los dibujos, cuando sea posible, los mismos números se refieren a los mismos elementos.
En las FIGs. 1 y 2, los mismos números de referencia son utilizados para identificar los mismos componentes que ofrecen las mismas o similares funciones.
En las FIGs. 1 y 2, el cable 100 eléctrico comprende tres primeros miembros 102 trenzados a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico; tres segundos miembros 104 trenzados a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico; una cuna 106 que se extiende a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico; una camisa 108 exterior radialmente externa con respecto a los primeros miembros 102 y segundos miembros 104; y un relleno 110 entre la camisa 108 externa y ambos primeros miembros 102 y segundos miembros 104.
Los primeros miembros 102 comprenden un elemento 112 conductor y una capa 302 aislante radialmente externa con respecto a al menos un elemento 112 conductor.
Los elementos 112 conductores comprenden, en términos generales, unos componentes eléctricamente conductores generalmente fabricados a partir de un material metálico, de modo preferente, cobre, aluminio o aleaciones o de estos, ya sea como de varillas macizas o bien como hilos metálicos retorcidos entre sí por medios convencionales.
Por ejemplo, un elemento 112 conductor puede comprender tres conductores de cobre macizos 2/0, cada uno calculado para 15 kV.
En las FIGs. 1 y 2 cada elemento 112 conductor está también rodeado por dos capas semiconductoras, en particular una capa 300 semiconductora interna, dispuesta entre el elemento 112 conductor y la capa 302 aislante, y una capa 304 semiconductora externa dispuesta en posición radialmente externa con respecto a la capa 302 aislante. Una pantalla 306 metálica (no ilustrada en la FIG. 2, pero con la posición y característica de la FIG. 1) está dispuesta en posición radialmente externa con respecto a la capa 304 semiconductora externa.
La capa 302 aislante puede estar fabricada de un material polimérico, por ejemplo polietileno (típicamente reticulado), polipropileno, copolímeros (por ejemplo caucho de etileno - propileno) o mezclas de estos. Las capas 300, 304 semiconductoras están típicamente fabricadas a partir de un material cargado con un relleno conductor como por ejemplo negro de humo y en base a un polímero polar (por ejemplo, acetato de etilenvinilo o acrilato de etilenvinilo), de manera opcional una mezcla con un material polimérico análogo al empleado para la capa 302 aislante.
De modo preferente, la pantalla 306 metálica comprende una cubierta de cinta de cobre.
Los segundos miembros 104 comprenden un elemento 116 de resistencia y una capa 118 conductora radialmente externa con respecto al elemento 116 de resistencia.
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Los elementos 116 de resistencia pueden comprender aramida o fibras sintéticas paraaramídicas, ya sea en forma de varillas macizas o como trenzados de cuerdas retorcidas de manera conjunta por medios convencionales. Por ejemplo, los elementos 116 de resistencia pueden ser cuerdas trenzadas fabricadas a partir de aramida Technora® o Kevlar® y comercializados por Phillystran.
Las capas 118 conductoras comprenden, en términos generales, unos componentes eléctricamente conductores aplicados a las superficies externas a los elementos 116 de resistencia, generalmente fabricados a partir de un material metálico, de modo preferente, cobre, aluminio, materiales compuestos o aleaciones de estos, ya sea en forma de trenza, de cinta enrollada helicoidal o alambre, lámina o equivalente.
Las capas 118 conductoras pueden comprender trenzas metálicas o, de modo preferente, hilos metálicos enrollados de forma helicoidal aplicados alrededor de los núcleos de las cuerdas. Por ejemplo, un hilo neutro concéntrico con un diámetro de entre 8,36 mm2 a 2,08 mm2 puede ser utilizado para suelos con un diámetro de aproximadamente 35 mm2 (2 AWG), mientras que los hilos con un diámetro de entre 0,82 mm2 a 0,20 mm2 pueden ser utilizados para suelos más pequeños.
Por ejemplo, las capas 118 conductoras comprenden unas trenzas de cobre o unos serpentines helicoidales de hilo de cobre con una sección a tierra equivalente de 21,14 mm2 aplicando 22 hilos de 0,33 mm2 de cobre para los elementos 116 de resistencia. Dependiendo del radio de los elementos 116 de resistencia, la cubierta (esto es, la cantidad de superficie cubierta por el hilo) de dichas capas 118 conductoras sobre o a lo largo de los elementos 116 de resistencia puede ser solo de un 36% o menor, puede ser de un 64% o superior, o puede ser de algún valor entre el 36% y el 64%.
Por ejemplo en los segundos miembros 104, las capas 118 conductoras comprenden unas serpentinas helicoidales de hilo de cobre mayores o iguales a 8,36 mm2 e inferiores o iguales a 0,0127 mm2.
Las capas 118 conductoras que comprenden los componentes eléctricamente conductores facilitan que los segundos miembros 104 actúen como miembros de puesta a tierra eléctricos cuando se sitúen en contacto con la pantalla metálica 306 (por ejemplo, la pantalla de cinta de cobre) de los primeros miembros 102.
La cuna 106 está adecuadamente centrada dentro de la sección transversal del cable 100 eléctrico. De modo preferente, la cuna 106 muestra una simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico. De modo más preferente, la simetría puede ser una simetría axial (por ejemplo, dos o cuatro ejes geométricos de simetría) y / o una simetría rotacional (por ejemplo, 90°, 120° o 180°).
De modo preferente, un material de la cuna 106 presenta un módulo de elasticidad a la tracción mayor o igual a 1,0 GPa e inferior o igual a 1,7 GPa.
En el cable de acuerdo con la FIG. 1, la cuna 106 comprende un canal 126 que se extiende longitudinalmente. De modo preferente, el canal 126 que se extiende longitudinal está axialmente centrado en la cuna 106 a lo largo de un eje geométrico central Z. El canal 126 que se extiende longitudinalmente puede estar configurado para albergar al menos un elemento de fibra óptica. De modo preferente, el cable 100 eléctrico comprende además al menos un elemento de fibra óptica alojado en el canal 126 que se extiende longitudinalmente.
Los primeros miembros 102 y los segundos miembros 104 están trenzados alrededor de la cuna 106 para definir un ensamblaje que comprende los primeros miembros 102 y los segundos miembros 104. La camisa 108 externa es radialmente externa con respecto al ensamblaje. De modo preferente, la camisa 108 externa está fabricada de un material polimérico, por ejemplo polietileno de alta densidad. El relleno 110 está situado entre el ensamblaje y la camisa 108 externa. De modo preferente. El relleno 110 está dispuesto sobre el ensamblaje por extrusión y está basado en un material polimérico, por ejemplo caucho de monómero dieno de etilenpropileno (EPDM), PVC, vulcanizado termoplástico (TPV) o fluoruro de polivinilideno.
El material polimérico del relleno 110 puede ser o bien expandido o no expandido. El relleno 110 que comprende un polímero expandido debe traducirse en un cable 100 eléctrico que sea más ligero por unidad de longitud que un cable similar que comprenda un polímero no expandido, haciendo posible potencialmente unos recorridos verticales más largos manteniendo al tiempo el factor de seguridad requerido de los estándares de la industria. Además de o como alternativa, el cable 100 eléctrico que es más ligero por unidad de longitud debe permitir el uso de unos elementos 116 de resistencia más pequeños y / o unos segundos miembros 104, lo que permite ulteriores ahorros en peso por unidad de longitud. Rellenos expansibles apropiados para la presente invención se describen, por ejemplo, en la Patente estadounidense No. 6,501,027 B1, Patente estadounidense No. 7,465,880 B2 y PCT/IB 2013/002426.
Pueden disponerse otras capas protectoras entre el relleno 110 y la camisa 108 externa como por ejemplo una capa 400 de polímero expandido o no expandido como se describe, por ejemplo, en el documento PCT/lB 2013/002426 o en la Patente estadounidense No 7,465,880 B2.
Como en la FIG. 2, el cable de la invención comprende, de modo preferente, una capa 402 de sellado fabricada, por ejemplo, a partir de una cinta metálica revestida de polímero con un solapamiento sellado con una capa adhesiva
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sobre la capa 400 de polímero expandido, y rodeada por una capa de revestimiento continua como barrera 404 química fabricada, por ejemplo, a partir de una poliimida.
De modo ventajoso, los primeros miembros 102 contactan con los segundos miembros 104. De modo preferente, cada primer miembro 102 contacta con al menos un segundo miembro 104. De modo más preferente, cada primer miembro 102 contacta con dos segundos miembros 104.
El conjunto de los primeros y segundos miembros 102, 104 define una primera zona 122 radialmente interna con respecto al conjunto. De modo ventajoso,, la cuna 106 sustancialmente ocupa la totalidad de la primera zona 122.
El conjunto define una segunda zona radialmente externa con respecto al conjunto, pero radialmente interna con respecto a la máquina 108. El relleno 110 puede sustancialmente ocupar la totalidad de la segunda zona llenando casi cualquier espacio en otro espacio vacío de la segunda zona dispuesta bajo la vaina 108 y en los intersticios de los primeros miembros 102 y de los segundos miembros 104.
De modo preferente, el material de polímero del relleno 110 se extiende más allá y el conjunto y la segunda zona, de manera que un anillo anular rodee el conjunto y la segunda zona. Esta extensión del relleno 110 sobre el conjunto y la segunda zona (también designada como capa anular) puede tener un grosor superior o igual o aproximadamente a 0,1 mm o inferior o igual a aproximadamente 6,0 mm pero puede utilizarse un mayor grosor radial, dependiendo del diámetro del cable 100 eléctrico y / o de a aplicación prevista del cable 100 eléctrico.
De modo preferente, cada uno de los segundos miembros 104 está trenzado entre dos de los primeros miembros 102.
De modo ventajoso, los primeros miembros 102 están trenzados con la máxima longitud de paso permitida por el estándar nacional o internacional seleccionado. Por ejemplo, de acuerdo con el baremo ICEA 639, para un cable de dos núcleos, la longitud de paso es de treinta (30) veces el diámetro del conductor 112; para un cable de tres núcleos, la longitud de paso es de treinta y cinco (35) veces el diámetro del conductor; para un cable de cuatro núcleos, la longitud de paso es de cuarenta (40) veces el diámetro del conductor; para un cable con más de cuatro núcleos, la longitud de paso es de quince (15) veces el diámetro del conjunto del cable.
Cuando los segundos miembros 104 están sometidos a tensión, en particular cuando el cable 100 eléctrico está a una temperatura elevada, los segundos miembros 104 tienden a traccionarse en dirección al centro del cable 100 eléctrico. En ausencia de la cuna 106, esta tendencia de los segundos miembros 104 de traccionarse hacia el centro del cable 100 eléctrico podría desplazar los primeros miembros 102 alejándolos del centro del cable 100 eléctrico, determinando los primeros miembros 102. Sin embargo, como se analizó anteriormente, debido a que los primeros miembros 102 y los segundos miembros 104 están configurados para situarse en contacto con la cuna 106, la cuna 106 actúa para impedir dicha diseminación de los primeros miembros 102. Así, la cuna 106 funciona para soportar y mantener las posiciones de los primeros miembros 102 y de los segundos miembros 104, asegurando la estabilidad estructural del cable 100 eléctrico. La cuna 106 funciona también como difusor mecánico para los segundos miembros 104, en particular cuando los segundos miembros 104 están sometidos a tensión.
La rigidez torsional global de un cable eléctrico de acuerdo con la invención puede ser significativa, especialmente cuando los elementos conductores comprenden un componente eléctricamente conductor fabricado de hilos metálicos torsionados entre sí. En este caso, los elementos conductores pueden empezar a desenrollarse, modificando la longitud de paso de los elementos conductores y sometiendo los elementos de resistencia a una tensión adicional, un problema potencialmente significativo en orientaciones verticales o sustancialmente verticales.
La rigidez torsional de una pluralidad de elementos constitutivos de un cable eléctrico contribuye a la rigidez torsional del propio cable. En particular, una capa 400 de polímero expandido y una capa 402 de sellado tienden a ser rígidas torsionalmente. Especialmente, una capa 402 de sellado fabricada de una cinta metálica revestida de polímero, con solapamientos en la cinta metálica revestida de polímero sellada por una capa adhesiva, tiende a retener su rigidez torsional a temperaturas operativas (por ejemplo, 90° C ) y a temperaturas de emergencia (por ejemplo, 140° C) del cable eléctrico. La gran rigidez torsional del cable 100 eléctrico fue dotado de una capa 400 de polímero expandido y, de modo preferente, una capa 402 de sellado a través del intervalo de las temperaturas operativas normales tiende a combatir estos efectos de desenrolle y tensión adicionales.
Se contemplaron otros sistemas para reducir el esfuerzo torsional de un cable eléctrico de acuerdo con la invención.
En el caso del cable 100 eléctrico de la FIG. 1, cuando los elementos 112 conductores comprenden un componente eléctricamente conductor fabricado de hilos metálicos retorcidos entre sí, el paso de los primeros miembros 102 se lleva a cabo, de modo ventajoso, en posición opuesta a la de los hilos metálicos retorcidos entre sí. Así mismo, o como alternativa, cuando los elementos 116 de resistencia y las trenzas de cuerda retorcidas entre sí, el paso de los segundos miembros 104 resulta opuesto al de las trenzas de cuerda retorcidas entre sí.
Como se analizó anteriormente, la longitud de paso de los primeros miembros 102 y, por consiguiente, de los segundos miembros 104 es controlada ventajosamente con respecto al diámetro del elemento 112 conductor. La
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longitud de paso es la máxima definida por el estándar nacional o internacional seleccionado - por ejemplo el ICEA 639.
A los fines de la fabricación de un cable 100 eléctrico de acuerdo con la invención, la cuna puede ser extruida. Los primeros miembros 102 y los segundos miembros 104 pueden ser trenzados alrededor de la cuna 106 extruida.
Los fines de la fabricación del cable 100 eléctrico, un cableador de estilo planetario que proporcione siete posiciones es capaz de cablear la cuna 106, los primeros miembros 102 y los segundos miembros 104. Sin embargo, si los segundos miembros 104 no comprenden tanto un elemento 116 de resistencia como una capa 118 conductora, un cableado sobre un cableador de estilo planetario con más de siete posiciones debe ser utilizados para que incluya al menos un conductor a tierra separado. El uso del cableador de estilo planetario con más de siete posiciones es complicado desde un punto de vista industrial debido a la disponibilidad limitada de esta maquinaria y de su escasa practibilidad, especialmente en la fabricación de grandes cables (con unos tamaños conductores superiores a aproximadamente 53,5 mm2 o 1/0 AWG).
La FIG. 3 es una vista en sección transversal esbozada de un cable 100 eléctrico con unos segundos miembros 104 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico, con unos primeros miembros 102 y con una camisa 108 exterior, de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares. En la FIG. 3, se utilizan los mismos números de referencia para identificar los mismos componentes que presentan las mismas o similares funciones que las FIGs. 1 y 2.
En el caso actual, como en el caso del cable de las FIGs. 1 y 2, el número de los primeros miembros 102 es igual al número de los segundos miembros 106.
El cable 100 de la FIG. 3 difiere de los de las FIGs. 1 y 2 en cuanto comprende dos primeros miembros 102 y dos segundos miembros 104. Así mismo, no se representa una barrera química como la de la referencia 404 en la FIG. 2 pero puede disponerse de modo ventajoso en este tipo de cable.
En la FIG. 3, la cuna 106 está centrada por dentro de la sección transversal del cable 100 eléctrico. En particular, la cuna 106 muestra una simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico. La cuna 106 muestra dos ejes geométricos de simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico así como una simetría rotacional de 180°.
La FIG. 4 es una vista en sección transversal esbozada de un cable 100 eléctrico con unos segundos miembros 104 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico, con unos primeros miembros 102 y con una camisa 108 exterior, de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares. En la FIG. 4, los mismos números de referencia son utilizados para identificar los mismos componentes que presentan las mismas o similares funciones de las FIGS. 1 y 2. Así mismo, no se representa una barrera química como la del número de referencia 104 de la FIG. 2, pero puede disponerse de modo ventajoso en este tipo de cable.
En el presente caso, como en el caso del cable de las FIGS. 1 y 2, el número de primeros miembros 102 es igual al número de segundos miembros 104. Puede haber, por ejemplo, cuatro primeros miembros y cuatro segundos miembros.
El cable de la FIG 4 difiere de los de las FIGS. 1 y 2 en cuanto comprende cuatro primeros miembros 102 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico y cuatro segundos miembros 104.
En la FIG. 4, la cuna 106 está centrada por dentro de la sección transversal del cable 100 eléctrico. En particular, la cuna 106 muestra una simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico. La cuna 106 muestra dos ejes geométricos de simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico así como una simetría rotacional de 180°.
La FIG. 5 es una vista en sección transversal esbozada de un cable 100 eléctrico con unos segundos miembros 104 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico, con unos primeros miembros 102 y con una camisa 108 exterior, de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares. En la FIG. 5 los mismos números de referencia son utilizados para identificar los mismos componentes que presentan las mismas o similares funciones que las de las FIGS. 1 y 2. Así mismo, no se representa una barrera química como la de la referencia 404 de la FIG. 2 pero se puede disponer de modo ventajoso en este tipo de cable.
En el presente caso, el número de primeros miembros 102 es mayor que el número de segundos miembros 104. En particular, el cable 100 de la FIG. 5 comprende cuatro primeros miembros 102 y dos segundos miembros 104.
La FIG. 5 difiere de las FIGS 1 y 2 en cuanto el cable 100 eléctrico de la FIG. 5 comprende cuatro primeros miembros 102 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico y dos segundos miembros 104 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico.
En la FIG. 5, la cuna 106 está centrada dentro de la sección transversal del cable 100 eléctrico. En particular, la cuna 106 muestra una simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico. La cuna 106 muestra
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dos ejes geométricos de simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico, así como una simetría rotacional de 180°.
La FIG. 6 es una vista en sección transversal esbozada de un cable 100 eléctrico con unos segundos miembros 104 que se extienden a lo largo de la longitud del cable 100 eléctrico, con los primeros miembros 102 y con una camisa 108 exterior, de acuerdo con algunas formas de realización ejemplares. En la FIG. 6, se utilizan los mismos números de referencia para identificar los mismos componentes que presentan las mismas o similares funciones que las de las FIGS. 1 y 2. Así mismo, no se representa una barrera mecánica como la de la referencia 404 de la FIG. 2, pero se puede disponer de modo ventajoso en este tipo de cable.
En el presente caso, el número de primeros miembros 102 es menor que el número de segundos miembros 104. En particular, el cable 100 eléctrico de la FIG. 6 comprende dos primeros miembros 102 y cuatro segundos miembros 104.
En la FIG. 6, la cuna 106 está centrada dentro de la sección transversal del cable 100 eléctrico. En particular, la cuna 106 muestra una simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico. De modo preferente, la cuna 106 muestra dos ejes geométricos de simetría con respecto a la sección transversal del cable 100 eléctrico así como una simetría rotacional de 180°.
Aunque se han mostrado y descrito concretamente formas de realización ejemplares, se debe entender por parte de los expertos en la materia que pueden efectuarse diversos cambios de forma y detalle en aquellas sin apartarse del alcance de la presente invención según queda definida por las reivindicaciones subsecuentes.
Ejemplos
Se describen dos variantes del cable de la invención. Los Cables A y B comprenden ambos 3 conductores de cobre de 70 mm2 (2/0), calculados para 15 kV, aislados con caucho de etilenpropileno (EPR), ensamblados alrededor de una cuna central. También ensamblados alrededor de una cuna central quedaron situados tres elementos de resistencia de cuerdas de aramida cubiertas por una capa de cobre actuando como hilos conductores (a tierra). Rodeando y encerrando el núcleo ensamblado se encontraba un relleno de caucho de EPDM, que se situaba por encima de los elementos del núcleo. Rodeando el relleno se encontraba un sistema de vaina de múltiple capas. Actuando las capas compuestas por una capa de revestimiento continua de poliimida como una barrera química y una camisa de plástico exterior. Dos capas se situaban en posición intermedia entre el caucho de EPDM y la capa de poliimida compuesta por una capa a base de polipropileno y una cinta metálica revestida de polímero con un solapamiento sellado con una capa adhesiva.
En particular, el Cable A comprendía unas cuerdas de aramida (comercialmente disponibles en Phillystran) con una resistencia a la ruptura de 102 kN, mientras que el Cable B comprendía unas cuerdas de aramida (comercialmente disponibles en Phillystran) con una resistencia a la ruptura de 34 kN. El Cable A, con unos miembros de resistencia de mayor intensidad podrían diseñarse, por ejemplo, para una caída vertical más larga.
Tanto el Cable A como el B estaban provistos de una sección a tierra equivalente de 25 mm2 mediante la aplicación de 22 hilos de cobre de 0,34 mmm2 sobre los elementos de resistencia. En el caso del Cable A, esto se tradujo en un 36% de cobertura de cobre por encima del elemento de resistencia. En el caso del Cable B, esto se tradujo en un 65% de cobertura de cobre por encima del elemento de resistencia
El Cable A presenta un peso de 65,6 N / metros y fue concebido para una caída vertical de 67,5 metros dentro de un pozo de mina (fuerza de peso del recorrido = 43,837 N). A continuación, para un factor de seguridad de al menos 7 de acuerdo con el baremo ICEA S-93-639-2012, los elementos de resistencia aceptable tendrán una resistencia a la ruptura combinada de 306,8 kN - en el presente caso, tres cuerdas de aramida, como miembros de resistencia, cada una de las cuales con una resistencia a la ruptura de al menos 102,28 kN En el cable A, cada cuerda seleccionada sobrepasaba esta cantidad en un 20%, en cuanto presentaba una resistencia a la ruptura de 122,7 kN cada una.
El Cable B presenta un peso de 65,6 N/metros y fue diseñado para una caída vertical de 304,8 metros en una perforación (fuerza del peso del recorrido = 20,017 N). A continuación para un factor de seguridad de al menos 5 de acuerdo con el baremo ICEA S-93-639-2012, sus elementos de resistencia tendrán una resistencia a la ruptura combinada de 100.1 kN - en el presente caso, tres cuerdas de aramida como miembros de resistencia, cada una de las cuales con una resistencia a la ruptura de al menos 33 kN. En el cable B, cada cuerda de aramida seleccionada sobrepasaba esta cantidad en un 20%, en cuanto presentaba una resistencia a la ruptura de 39,6 kN.
Se debe entender que el experto en la materia puede ser capaz de seleccionar los elementos de resistencia adecuados con la resistencia a la ruptura apropiada en base al número de elementos de resistencia, al peso / longitud unitaria del cable global, al factor de seguridad requerido y a la caída vertical utilizando los ejemplos expuestos.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. - Un cable (100) eléctrico, que comprende:
    al menos dos primeros miembros (102) que se extienden a lo largo de una longitud del cable (100) eléctrico, comprendiendo cada uno de los primeros miembros (102) un elemento (112) conductor y una capa (302) aislante radialmente externa con respecto al elemento (112) conductor;
    al menos dos segundos miembros (104) que se extienden a lo largo de la longitud del cable (100) eléctrico, comprendiendo cada uno de los segundos miembros (104) un elemento (106) de resistencia y una capa (118) conductora radialmente externa con respecto al elemento (116) de resistencia; y
    estando los primeros y segundos miembros (102,, 104) trenzados alrededor de y en contacto con una cuna (106) que se extiende a lo largo de la longitud del cable (100) eléctrico; caracterizado porque la cuna (106) está fabricada de un material polimérico con un módulo de elasticidad a la tracción superior o igual a 1 GPa y una temperatura de reblandecimiento Vicat superior o igual a 125° C.
  2. 2. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que la capa (118) conductora está fabricada de un metal con un grosor adecuado para servir de conductor de tierra.
  3. 3. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que los primeros miembros (102) comprenden una pantalla (306) metálica dispuesta en posición radialmente externa con respecto a la capa (302) aislante.
  4. 4. - El cable (100) de la reivindicación 3, en el que la capa (118) conductora está en contacto con la pantalla (306) metálica.
  5. 5. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que el elemento (116) de resistencia está fabricado de un material polimérico.
  6. 6. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que el elemento (116) de resistencia está fabricado de un material con una resistencia a la ruptura de un tipo tal que proporciona al menos un factor de seguridad SF mínimo.
  7. 7. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que la cuna (106) presenta un módulo de elasticidad a la tracción inferior o igual a 1,7 GPa.
  8. 8. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que la cuna (106) está fabricada de un material seleccionado entre fibra de vidrio o material termoplástico.
  9. 9. - El cable (100) de la reivindicación 8, en el que el material termoplástico se añade con un relleno de refuerzo inorgánico.
  10. 10. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que la cuna (106) está fabricada de un material con una dureza Shore D de 45 a 75.
  11. 11. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que cada segundo miembro (104) está trenzado entre dos de los primeros miembros (102).
  12. 12. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que los primeros miembros (102) están trenzados con una longitud de paso máxima permitida por un estándar nacional o internacional seleccionado.
  13. 13. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que los primeros miembros (102) y los segundos miembros (104) están presentes en unos números que son múltiplos los unos respecto de los otros.
  14. 14. - El cable (100) de la reivindicación 1, que comprende además, secuencialmente en posición radialmente externa con respecto a los primeros y segundos miembros (102, 104), al menos una capa (400) de polímero expandido, una capa de revestimiento continua que actúa como barrera (404) química o una capa (402) de sellado.
  15. 15. - El cable (100) de la reivindicación 1, en el que los primeros miembros (102) contactan con los segundos miembros (104).
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