En los cables de potencia de media, alta y extra alta tensión, las capas semiconductoras interna y externa (también conocidas como pantalla del conductor y pantalla del aislamiento) funcionan como barreras niveladoras del campo eléctrico. Debido a que el aislamiento primario del cable, como el polietileno reticulado (XLPE), es altamente sensible a los gradientes de tensión eléctrica localizada, estas capas son indispensables para eliminar las descargas parciales y garantizar un campo eléctrico radial perfectamente simétrico.
Fabricadas típicamente con una base de polietileno fuertemente compuesta con negro de carbón conductor, estas capas poseen una resistividad volumétrica intermedia (de 10¹ a 10⁴ Ω·cm). Esto las sitúa electrónicamente entre un conductor metálico y un dieléctrico puro, permitiéndoles actuar como límites equipotenciales que encapsulan la pared del aislamiento.
Matriz de Parámetros Técnicos: Capas Semiconductoras Interna vs. Externa
A continuación se detallan los límites físicos y las distintas funciones de aplicación de ambas capas semiconductoras, según normas como la IEC 60502-2:
| Parámetro Técnico | Pantalla del Conductor (Semicon Interna) | Pantalla del Aislamiento (Semicon Externa) |
|---|---|---|
| Ubicación Física | Colocada directamente sobre el conductor metálico trenzado. | Colocada entre el aislamiento de XLPE y la pantalla de cobre/armadura metálica. |
| Potencial Eléctrico | Opera al mismo potencial de alta tensión que el núcleo del conductor. | Conectada directamente a la matriz de tierra (potencial 0 V). |
| Función Eléctrica Principal | Elimina los puntos de alta tensión causados por las geometrías de los hilos individuales del conductor. | Asegura que las líneas del campo eléctrico terminen perfectamente perpendiculares al plano de tierra. |
| Subfunción Mecánica | Absorbe la expansión/contracción térmica microscópica de los hilos del núcleo. | Evita que se formen huecos de aire localizados debajo de las cintas de pantalla de cobre arrugadas. |
| Perfil de Unión del Material | Siempre totalmente adherida (fundida molecularmente a la pared interna de XLPE). | Disponible como compuestos desnudables (despegables en frío) o totalmente adheridos. |
Física de Ingeniería: Por qué las capas semiconductoras son indispensables
1. Función de la pantalla del conductor (El efecto de jaula de Faraday)
Si el aislamiento de XLPE bruto se extruyera directamente sobre un conductor trenzado estándar, los perfiles helicoidales de los hilos exteriores individuales crearían una superficie irregular y corrugada. En alta tensión, las líneas del campo eléctrico se concentrarían naturalmente en los picos de estos hilos debido a su radio de curvatura agudo.
Además, se quedarían atrapados microhuecos llenos de aire en los valles entre los hilos. Debido a que el aire tiene una permitividad relativa menor que el XLPE (εᵣ = 1,0 frente a εᵣ = 2,3), el gradiente de tensión a través de estos huecos de aire se amplificaría, ionizando el aire y provocando destructivas descargas parciales (DP) y arborescencia eléctrica progresiva.
La capa semiconductora interna resuelve esto rellenando completamente los valles entre los hilos, presentando una superficie exterior cilíndrica perfectamente lisa a la capa de aislamiento. Actúa como una jaula de Faraday molecular, eliminando el campo eléctrico dentro de los valles estructurales y suavizando las líneas de campo en un camino radial uniforme.
2. Función de la pantalla del aislamiento (Confinando el campo dieléctrico)
La pantalla metálica conectada a tierra (compuesta por hilos o cintas de cobre) enrollada alrededor del exterior del núcleo de aislamiento también presenta irregularidades geométricas. Si la pantalla exterior se coloca directamente sobre el aislamiento, las pequeñas curvaturas o flexiones del cable durante la instalación crean huecos milimétricos entre el aislamiento y la cinta metálica.
La capa semiconductora exterior proporciona un plano de tierra continuo y uniforme, directamente adherido al perímetro exterior del aislamiento de XLPE. Elimina cualquier caída de potencial a través de los huecos de aire debajo de la pantalla metálica, confinando todo el campo eléctrico estrictamente al interior de la pared principal del aislamiento. Esto garantiza que las capas exteriores del cable, como la armadura de acero o la cubierta de PVC, permanezcan completamente libres de gradientes de tensión peligrosos.