ES2676999T3 - Cable de transporte de energía con elevada resistencia a la torsión - Google Patents
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Abstract
Cable de transporte de energía que comprende al menos dos conductores (16-18) de energía, al menos un conductor (25-27) de puesta a tierra y una camisa (34) exterior tubular que rodea los conductores de energía y el conductor de puesta a tierra, comprendiendo cada conductor de energía un núcleo (19-21) conductor y una capa (22- 24) aislante que rodea dicho núcleo conductor, estando retorcidos dichos conductores de energía contactando entre sí, teniendo el conductor (25-27) de puesta a tierra un diámetro más pequeño que los conductores de energía y estando colocado en un área intersticial definida entre dos conductores (16-18) de energía adyacentes y la camisa (34) exterior tubular, contactando el conductor de puesta a tierra con los dos conductores de energía a lo largo de dos líneas de contacto respectivas, teniendo la camisa (34) tubular exterior un grosor sustancialmente constante y contactando con el conductor de puesta a tierra a lo largo de una porción de extradós que mira hacia el exterior con respecto al cable de transporte de energía, estando las superficies (35, 36) laterales del conductor (25-27) de puesta a tierra libres de restricciones entre dichas líneas de contacto con los conductores de energía y contactado dicho extradós por la camisa tubular exterior, caracterizado porque la camisa (34) exterior tubular tiene un perfil sustancialmente rectilíneo entre un conductor (16-18) de energía y el extradós de un conductor (25-27) de puesta a tierra adyacente.
Description
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DESCRIPCION
Cable de transporte de ene^a con elevada resistencia a la torsion
La presente invencion se refiere a un cable de transporte de energfa, particularmente un cable de transporte de energfapara su uso en una planta de generacion de molinos eolicos.
Un molino eolico comprende una torre y una gondola en la parte superior de la misma.
La gondola aloja, entre otros, el sistema de generador, las palas y el transformador. La gondola es adecuada para ser pivotada (con respecto al eje de la torre) para seguir los cambios en la direccion del viento.
Se situa un cable de transporte de energfade modo que se transporta desde el transformador (en la parte superior de la torre) a la base de la torre (en donde la potencia electrica generada se transmite a la red de distribucion o se entrega directamente a un usuario final), situandose dicho cable verticalmente a lo largo del desarrollo longitudinal de la torre, dentro de la misma.
Tfpicamente, el cable de transporte de energfapotencia es un cable tripolar y comprende generalmente tres conductores de energfa aislados (comprendiendo cada conductor de energfa: conductor + capa semiconductora interior + aislante + capa semiconductora exterior) y tres conductores de puesta a tierra, estando situado cada conductor de puesta a tierra en el area intersticial formada entre dos conductores de energfa adyacentes. Los tres conductores de energfa y los tres conductores de puesta a tierra se retuercen helicoidalmente y todo el conjunto se recubre sucesivamente con una camisa exterior del cable.
El documento DE-A-33 26 987 divulga un ejemplo de dichos cables de transporte de energfa, con tres conductores de energfa, tres conductores de puesta a tierra respectivamente situados en las areas intersticiales definidas entre dos conductores de energfa adyacentes, y una camisa exterior tubular que rodea los conductores de energfa y conductores de puesta a tierra con una seccion transversal circular.
El documento US 6.675.522 divulga tambien un cable con tres conductores de energfa aislados rodeados por una camisa exterior tubular, sin embargo no estan presentes conductores de puesta a tierra entre cada par de conductores de energfa adyacentes y la camisa exterior.
Los disenos de cable conocidos en la tecnica, que son adecuados para su uso en un molino eolico, se proporcionan tfpicamente con una camisa exterior que penetra dentro de las areas intersticiales presentes entre los conductores de puesta a tierra y el cable de conductores de energfa (esto es debido al hecho de que la camisa exterior se extrude bajo presion sobre el conjunto de los conductores de energfa / conductores de puesta a tierra). Por lo tanto, en los disenos de cable conocidos en la tecnica, la camisa exterior tiene un grosor que no es constante en la seccion transversal del cable, siendo dicho grosor remarcablemente mayor en correspondencia con las areas intersticiales que en los extrados de los conductores de energfa del cable.
Debido al movimiento de rotacion de la gondola tanto en la direccion en el sentido de las agujas del reloj como en el contrario, el cable de transporte de energfase somete a ciclos alternos de tensiones torsionales. Espedficamente, las tensiones torsionales surgen en la longitud del cable que esta libremente situado dentro de la torre, es decir la longitud del cable que sale desde el transformador y se suspende dentro de la torre antes de fijarse a la pared lateral de la misma (dicha longitud de cable es de aproximadamente 18-20 m, mientras la altura de la torre es tfpicamente de 60100 m). Generalmente, se opera un molino eolico para realizar 5 vueltas completas (360° cada vuelta) en una direccion dada (por ejemplo, en el sentido de las agujas del reloj) y a continuacion la rotacion se invierte (5 vueltas en la direccion opuesta, por ejemplo en el sentido contrario a las agujas del reloj). Como un promedio, un molino eolico realiza una vuelta/dfa dado que la direccion del viento vana generalmente no mas de 180° en 24 horas.
Cuando se emplean los cables de transporte de energfade acuerdo con la tecnica conocida, puede ocurrir que las tensiones torsionales alternas provoquen una rotura prematura de los conductores de puesta a tierra. Dado que la rotura de algunos hilos en un conductor de puesta a tierra provoca generalmente una variacion significativa de la resistencia electrica del conductor de puesta a tierra, se requiere que el cable de transporte de energfasea sustituido y el molino eolico sea parado para permitir un mantenimiento extraordinario del mismo.
Es un proposito de la presente invencion proporcionar un cable de transporte de energfa potencia que tenga una resistencia mejorada a las tensiones torsionales durante la operacion del mismo (particularmente, durante la operacion en una planta de generacion de molinos eolicos con temperatura de conductor de aproximadamente 90 °C).
Un proposito adicional de la invencion es proporcionar un cable que tenga una vida util mas larga, permitiendo que el cable mantenga el funcionamiento bajo condiciones de trabajo normales durante mas de 20 anos, que es la vida util normal de una Planta de molinos eolicos.
Un proposito adicional de la invencion es proporcionar un cable de transporte de energfaque tenga una estructura compacta con un volumen limitado.
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Otro proposito de la invencion es proporcionar un cable de transporte de ene^aque tenga una estructura simple y que sea facil de fabricar.
Para resolver el problema anterior, de acuerdo con la invencion, se proporciona un cable de transporte de energfade acuerdo con la reivindicacion 1.
Para una mejor explicacion de los principios innovadores de la presente invencion y las ventajas que ofrece sobre la tecnica conocida, se describe en el presente documento a continuacion, a modo de ejemplo, una posible realizacion que aplica dichos principios, con ayuda de los dibujos adjuntos. En los dibujos:
- la figura 1 muestra un molino eolico para la generacion de ene^a que comprende un cable de acuerdo con la presente invencion,
- la figura 2 muestra una seccion transversal de un cable de acuerdo con la invencion.
Con referencia a los dibujos, la figura 1 muestra un molino 11 eolico para la generacion de energfa electrica. El molino 11 eolico comprende una gondola 12 montada en la parte superior de una torre 13. La gondola se monta de modo pivotante sobre la torre para seguir los cambios en la direccion del viento. La gondola 12 aloja, entre otros, el sistema generador, las palas y el transformador.
Se coloca un cable 14 de transporte de energfapara ir desde el transformador (alojado en la gondola 12) a la base 15 de la torre (en donde la potencia electrica generada se transmite a la red de distribucion o se entrega directamente a un usuario final), estando dicho cable suspendido verticalmente a lo largo del desarrollo longitudinal de la torre 13, dentro de la misma.
La figura 2 muestra una seccion transversal de un cable 14 de transporte de energfaque, de acuerdo con una realizacion de la invencion, es un cable trifasico que comprende tres conductores 16-18 de energfa.
Cada conductor 16-18 de energfa comprende un nucleo 19-21 conductor interior rodeado por una capa 22-24 aislante.
Ventajosamente, como se muestra en la figura 2, los nucleos 19-21 conductores interiores comprenden un conductor 19a-21a metalico, cubierto por una capa 19b-21b semiconductora interior. Una capa 22a-24a semiconductora exterior rodea la capa 22-24 aislante.
Los conductores 16-18 de energfa se retuercen helicoidalmente a lo largo del cable, contactando entre sf tangencialmente.
De acuerdo con la figura 2, los conductores 16-18 de energfa definen un intersticio central y tres areas intersticiales exteriores; cada una de las areas intersticiales exteriores recibe un conductor 25-27 de puesta a tierra, que tiene un diametro mas pequeno que los conductores 16-18 de energfa.
Cada conductor 25-27 de puesta a tierra puede comprender un nucleo 28-30 conductor interior rodeado por una capa 31-33 semiconductora exterior.
Como se muestra en la figura 2, de acuerdo con una realizacion de la invencion, el eje de cada uno de los conductores 25-27 de puesta a tierra se dispone sobre un perfil helicoidal que tiene un radio R1 diferente del radio R2 del perfil helicoidal definido por el eje de los conductores 16-18 de energfa. El radio R1 corresponde al radio del cilindro primitivo sobre el que se dispone la helice, es decir R1 corresponde al radio de devanado del eje del conductor (de los conductores 25-27 de puesta a tierra) devanados a lo largo de la helice. Lo mismo se aplica al radio R2 con respecto a los conductores de energfa de los nucleos 19-21 conductores interiores.
Particularmente, el radio R1 del perfil helicoidal definido por el eje de los conductores de puesta a tierra es mayor que el radio R2 del perfil helicoidal definido por el eje de conductores de energfa.
El cable 14 comprende tambien una camisa 34 tubular exterior, que rodea los conductores 16-18 de energfa y los conductores 25-27 de puesta a tierra.
Cada conductor 25-27 de puesta a tierra permanece colocado entre dos conductores de energfa adyacentes y la pared de la camisa 34 exterior, contactando con los dos conductores de energfa correspondientes a lo largo de dos imeas de contacto respectivas. Cada conductor 25-27 de puesta a tierra contacta tambien con la camisa 34 exterior a lo largo de una porcion de extrados que mira hacia el exterior con respecto al cable 14.
La camisa 34 exterior se realiza con un grosor sustancialmente constante, de modo que las areas intersticiales entre los conductores 25-27 de puesta a tierra y los conductores 16-18 de energfa permanecen libres. Particularmente, con referencia al conductor 26 de puesta a tierra, las superficies 35, 36 laterales del mismo estan libres de restricciones entre las lmeas de contacto con los conductores 16, 17 de energfa y el extrados de contacto con la camisa 34 exterior. Lo mismo se aplica a los otros conductores 25 y 27 de puesta a tierra.
Ventajosamente, puede bobinarse helicoidalmente una cinta 40 semiconductora alrededor de los conductores 16-18
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Mas aun, cada conductor 16-18 de energfa se provee preferentemente con una cinta 41-43 semiconductora, devanada helicoidalmente sobre la superficie externa de las capas 22a-24a semiconductors exteriores.
Esta disposicion puede favorecer el movimiento redproco entre los conductores 16-18 de energfa y los conductores 25-27 de puesta a tierra adyacentes tras la torsion del cable 14.
El presente Solicitante ha observado que, especialmente cuando los conductores de energfa del cable (espedficamente el centro —el eje neutral— de cada conductor de energfa del cable) se dispone sobre un diametro de helice que es diferente del diametro de helice sobre el que se disponen los conductores de puesta a tierra (espedficamente el centro —el eje neutral— de cada conductor de puesta a tierra), una torsion sobre el cable puede dar lugar a tensiones de magnitudes diferentes en los conductores de energfa del cable y en los conductores de puesta a tierra.
En el cable de acuerdo con la tecnica conocida, el material de la camisa exterior esta presente en las areas intersticiales entre conductores de energfa y conductores de puesta a tierra, cubriendo las superficies de los conductores de puesta a tierra que miran a los conductores de energfa, “congelando” asf la posicion redproca de los conductores de energfa del cable y los conductores de puesta a tierra. En consecuencia, se impide sustancialmente a los conductores de puesta a tierra respecto a cualquier movimiento radial y/o circunferencial durante el retorcido del cable debido al movimiento de pivote de la gondola: esta situacion puede provocar tensiones axiales (que se derivan de las tensiones torsionales aplicadas sobre el cable debido a la rotacion de la gondola) en los conductores de puesta a tierra que, despues de un numero dado de ciclos de torsion, puede provocar la rotura de los conductores de puesta a tierra (o una reduccion en su rendimiento, por ejemplo debido a la rotura de uno o mas hilos del mismo) debido a las tensiones de traccion o compresion.
De acuerdo con la invencion, se incrementa la resistencia del cable a las tensiones torsionales permitiendo que los conductores de puesta a tierra se muevan en la direccion radial y/o en la circunferencial.
El presente Solicitante ha descubierto proporcionar al cable con una camisa exterior cuyo material no penetre dentro de las areas intersticiales del cable entre conductores de energfa y conductores de puesta a tierra, teniendo asf la superficie lateral de los conductores de puesta a tierra enfrentadas a los conductores de energfa libre de restricciones. Esto permite que los conductores de puesta a tierra se muevan en las direcciones radial y/o circunferencial con respecto a los conductores de energfa del cable, dado que la fuerza ejercida por la camisa exterior sobre los conductores de puesta a tierra se reduce sustancialmente con respecto a los cables conocidos en la tecnica en los que el material de la camisa exterior penetra dentro de las areas intersticiales.
Durante la operacion del molino eolico, una modificacion de la posicion redproca de los conductores de puesta a tierra con respecto a los conductores de energfa del cable (dentro de la estructura del cable) permite una distribucion favorable de las tensiones que se transfieren al cable (en particular a los conductores de puesta a tierra del mismo) durante los ciclos de torsion alternos a los que se somete al cable durante el uso. De hecho, al permitir que los conductores de puesta a tierra modifiquen su posicion con respecto a los conductores de energfa del cable, los conductores de puesta a tierra pueden soportar mejor las tensiones torsionales y axiales dado que pueden evitarse las peligrosas concentraciones de tensiones (las tensiones de traccion o compresion —dependiendo de la direccion de torsion aplicada al cable— se localizan sobre areas limitadas de los conductores de puesta a tierra), incrementando de ese modo ventajosamente la vida util del cable.
El cable se proporciona con una camisa 34 exterior que tiene un grosor sustancialmente constante. Preferentemente, la camisa exterior se obtiene mediante extrusion en la forma de un tubo. De acuerdo con la invencion, en una seccion transversal del cable la camisa 34 exterior tiene un perfil sustancialmente rectilmeo entre un conductor 16-18 de energfa y el extrados de un conductor 25-27 de puesta a tierra adyacente. En una realizacion de la invencion, el perfil de la camisa 34 exterior es tambien sustancialmente rectilmeo entre dos conductores 17-19 de energfa adyacentes, siendo tangente al extrados del conductor 25-27 de puesta a tierra interpuesto sobre una superficie longitudinal estrecha del mismo.
Los datos tecnicos de una realizacion de un cable de acuerdo con la invencion se relacionan en la tabla siguiente:
- Fases (o conductores de energia): 3 x 25 mm2
- Nucleo conductor
- cobre; diametro nominal: 6,5 mm
- Capa semiconductora interior
- grosor nominal: 0,8 mm; obtenida por extrusion
- Capa aislante
- grosor nominal: 5,0 mm; obtenida por extrusion
- Capa semiconductora exterior
- grosor nominal: 1,0 mm; obtenida por extrusion
- Cinta semiconductora
- paso de retorcido nominal: 33,1 mm
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(continuacion)
- Conductores de puesta a tierra: 3 x 10 mm2
- Nucleo conductor
- cobre; diametro nominal: 4,3 mm
- Capa semiconductora
- grosor nominal: 1,2 mm; obtenida por extrusion
- Conjunto
- Fases + conductores de puesta a tierra + cinta semiconductora
- diametro nominal del conjunto: 46,4 mm;
- Funda exterior
- grosor nominal: 3,5 mm; diametro nominal externo: 53,4 mm; obtenida por extrusion en tubo; area aproximada de la seccion extrudida total: 680 mm2
Como se ha indicado en la tabla, el conjunto “conductores de puesta a tierra / conductores de energfa” se devana mediante una cinta 40 semiconductor.
Los ensayos de resistencia llevados a cabo sobre el cable de acuerdo con la invencion han mostrado sorprendentemente buenos resultados en respuesta a las tensiones torsionales.
El cable se ensayo con ciclos torsionales, comprendiendo cada ciclo cuatro vueltas en la direccion de las agujas del reloj, cuatro vueltas en la direccion contraria a las agujas del reloj para alcanzar la posicion neutra, cuatro vueltas en la direccion contraria a las agujas del reloj y a continuacion cuatro vueltas en la direccion de las agujas del reloj para alcanzar de nuevo la posicion neutra.
En el ensayo, se aplicaron cuatro vueltas al cable (y no cinco como sucede usualmente en la operacion del molino eolico) dado que el ensayo se llevo a cabo sobre una longitud de cable que era inferior a la longitud de cable libre normalmente presente en la torre del molino eolico. Por lo tanto, las cuatro vueltas en el ensayo correspondieron a tensiones torsionales reales que se aplican al cable durante el uso cuando se aplican cinco vueltas.
Despues de 2500 ciclos de torsion (como se ha descrito anteriormente) el cable no mostro ningun signo de colapso o rotura. El lfmite de 2500 ciclos se considera que corresponde a una vida util de 25 anos bajo condiciones de operacion normales (tfpicamente, una planta de molinos eolicos tendra una vida media de 20 anos).
Llevando a cabo los mismos ensayos de resistencia sobre cables fabricados de acuerdo con la tecnica conocida con la funda exterior extrudida de modo que las areas intersticiales entre conductores de energfa y conductores de puesta a tierra esten ocupadas por la funda exterior, se experimento una rotura del cable despues de solamente 1250 ciclos torsionales. El cable de acuerdo con la tecnica conocida que se ensayo terna los mismos conductores que la realizacion descrita anteriormente con el mismo dimensionamiento, siendo la unica diferencia que la funda exterior penetraba en las areas intersticiales entre los conductores de energfa y los conductores de puesta a tierra. Por lo tanto, el area de seccion extrudida total en el cable de la tecnica anterior era de aproximadamente 925 mm2 (en lugar de 680 mm2 para el cable de la invencion) y el area intersticial extrudida del cable de la tecnica anterior era de aproximadamente 245 mm2 (en lugar de aproximadamente cero para el cable de la invencion).
El cable de transporte de energfade la presente invencion, que esta especialmente indicado para su uso en una planta de generacion de molinos eolicos, tiene una resistencia mejorada a las tensiones torsionales con respecto a un cable comparable de la tecnica anterior.
Adicionalmente, la vida util de un cable de acuerdo con la invencion es considerablemente larga y permite reducir la probabilidad de rotura debido a las tensiones mecanicas del mismo.
Mas aun, gracias a la disposicion de los conductores de puesta a tierra en los intersticios entre conductores de energfa retorcidos adyacentes, el conjunto global del cable de transporte de energfaes extremadamente compacto con un volumen global limitado.
La descripcion anterior de una realizacion que aplica los principios innovadores de la presente invencion se toma solamente a modo de ejemplo. Por ejemplo, el cable puede comprender un numero diferente de conductores de energfa, por ejemplo, puede considerarse un cable bifasico con solo dos conductores de energfa.
Claims (6)
- 51015202530REIVINDICACIONES1. Cable de transporte de ene^a que comprende al menos dos conductores (16-18) de ene^a, al menos un conductor (25-27) de puesta a tierra y una camisa (34) exterior tubular que rodea los conductores de energfa y el conductor de puesta a tierra, comprendiendo cada conductor de energfa un nucleo (19-21) conductor y una capa (2224) aislante que rodea dicho nucleo conductor, estando retorcidos dichos conductores de energfa contactando entre sf, teniendo el conductor (25-27) de puesta a tierra un diametro mas pequeno que los conductores de energfa y estando colocado en un area intersticial definida entre dos conductores (16-18) de energfa adyacentes y la camisa (34) exterior tubular, contactando el conductor de puesta a tierra con los dos conductores de energfa a lo largo de dos lmeas de contacto respectivas, teniendo la camisa (34) tubular exterior un grosor sustancialmente constante y contactando con el conductor de puesta a tierra a lo largo de una porcion de extrados que mira hacia el exterior con respecto al cable de transporte de energfa, estando las superficies (35, 36) laterales del conductor (25-27) de puesta a tierra libres de restricciones entre dichas lmeas de contacto con los conductores de energfa y contactado dicho extrados por la camisa tubular exterior, caracterizado porque la camisa (34) exterior tubular tiene un perfil sustancialmente rectilmeo entre un conductor (16-18) de energfa y el extrados de un conductor (25-27) de puesta a tierra adyacente.
- 2. Cable de transporte de energfa de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los conductores (16-18) de energfa son tres.
- 3. Cable de transporte de energfa de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque esta presente un conductor (25-27) de puesta a tierra en cada area intersticial entre dos conductores (16-18) de energfa adyacentes y la camisa (34) exterior tubular.
- 4. Cable de transporte de energfa de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque el eje de cada conductor (25-27) de puesta a tierra define una helice que tiene un radio (R1) diferente del radio (R2) de la helice definida por el eje de los conductores (16-18) de energfa.
- 5. Cable de transporte de energfa de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque en una seccion transversal del cable de transporte de energfa la camisa (34) exterior tubular tiene un perfil sustancialmente rectilmeo entre dos conductores (16-18) de energfa adyacentes, siendo tangente al extrados del conductor (25-27) de puesta a tierra interpuesto sobre una superficie longitudinal estrecha del mismo.
- 6. Cable de transporte de energfa de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado porque los conductores (25-27) de puesta a tierra son tres.
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