cable de guarda como proteccion de lineas de transmision

8/9/2019 Cable de Guarda Como Proteccion de Lineas de Transmision

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE

SAN AGUSTIN

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA

ELECTRICA

INFORME

CURSO:

TECNICAS DE ALTA TENSION

TEMA DE INVESTIGACION:

CABLE DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS

DE TRANSMISION

PROFESOR:

ING. HOLGER MEZA DELGADO

ALUMNO

MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

CUI

20071625

2014


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MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR Pgina 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE

SAN AGUSTIN AREQUIPA

FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

CABLE DE GUARDA COMO PROTECCION DE

LINEAS DE TRANSMISION

PRESENTADO POR EL ALUMNO DE PREGRADO:

ELMAN OSCAR MAMANI RODRIGO

PARA OPTAR EL GRADO DE BACHILER DE

INGENIERIO ELECTRICISTA

AREQUIPA PERU

2014


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DEDICATORIA:Este trabajo la dedico a mi mama, por ser mi ejemplo de perseverancia y de lucha

Constante forma el pilar ms importante dentro mi vida personal y del inicio de mi

carrera universitaria

Y de manera general a mi hermana y dems familiares por ser un apoyo

incondicional.


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AGRADECIMIENTOS:Agradezco de forma especial a mi madre la seora Bonifacia Rodrigo Choque y a

mi hermana Lourdes Mamani Rodrigo al hacer de mi una persona perseverante y

alcanzar mis objetivos gracias a sus inculcaciones.


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INDICE

DEDICATORIA:....................................................................................................... 2

AGRADECIMIENTOS: ............................................................................................ 3

1.- INTRODUCCION: CABLES DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS

DE TRANSMISION ................................................................................................. 52.- DESCARGAS DIRECTAS.................................................................................. 6

2.1.-SOBRE CONDUCTORES............................................................................ 6

2.2.- SOBRE CABLES DE GUARDA O TORRES ............................................. 10

2.3.- DESCARGAS INDIRECTAS ..................................................................... 12

3.- CABLES DE GUARDA EN TORRES DE ALTA TENSIN Y RAYOS. ............ 14

3.1.- MTODOS CLSICOS DE UBICACIN DEL HILO DE GUARDA (*5) .... 20

3.1.1 Charles.................................................................................................. 21

3.1.2.- Wagner y Mac Cann ........................................................................... 22

3.1.3 Schwaiger ............................................................................................. 24

3.1.4 Langrehr................................................................................................ 26

3.2.- MODELO ELECTROGEOMTRICO (*6) .................................................. 28

3.3.- COMPARACIN ENTRE LOS MTODOS CLSICOS Y EL MODELOELECTROGEOMTRICO ................................................................................. 30

4.- EL CABLE DE GUARDIA CON FIBRAS PTICAS (OPGW)........................... 31

5.- FORMULACIN DEL MODELO PARA EL APANTALLAMIENTO DE LASLNEAS DE TRANSMISIN.................................................................................. 33

5.1 COMO MEDIR LOS PARMETROS DEL RAYO (*1) ................................. 33

6.- FORMA TERICA DEL IMPULSO DE CORRIENTE EN DESCARGASATMOSFRICAS (*1) ........................................................................................... 35

CONCLUSIONES.................................................................................................. 40

BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 41

ANEXOS ............................................................................................................... 41


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1.- INTRODUCCION: CABLES DE GUARDA COMO PROTECCION DELINEAS DE TRANSMISION

Las descargas atmosfricas en lneas de distribucin son mucho ms crticas que

en lneas de transmisin, debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor.

Los daos causados por descargas atmosfricas en lneas de distribucin, sondebidos a descargas directas sobre los conductores de fase o sobre los neutros ocables de guarda, en caso de existir, o son debidos a descargas indirectas que noimpactan directamente la lnea pero alteran el campo electromagntico a sualrededor, induciendo sobre tensiones en la misma. La figura 1 ilustra estos casos.

Los principales daos causados por descargas atmosfricas en lneas dedistribucin, afectan equipos como los enumerados a continuacin:

Transformadores de distribucin, cortacircuitos y fusibles, interruptores de aceite,conductores de lnea y aisladores.

Adicionalmente, pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a lacapacitancia entre devanados de los transformadores, afectando equiposdomsticos.

El presente proyecto est orientado a la proteccin de las lneas de transmisinante las descargas atmosfricas. Como bien es sabido para eliminar totalmente lainfluencia del campo electroesttico atmosfrico sobre los conductores habra que

construir alrededor de ellos una jaula de Faraday, lo que es econmica ytcnicamente imposible, por lo cual basndose en la experiencia se emplea elsistema de apantallamiento que est constituido por un hilo de guarda, el cualnecesita una serie de parmetros que cumplir en cuanto a geometra de las torresy distribucin de fases, para funcionar de manera adecuada.

La labor del hilo de guarda es proteger a todas y cada una de las fases queconforman la lnea, ya sea esta de uno o dos circuitos, por esto en una lneapueden existir uno, dos o tres hilos de guarda; la eficiencia de la proteccin conhilos de guarda depende de la posicin de los hilos respecto de los conductores,

pero siendo las relaciones muy complicadas ya que existen varios factoresindependientes que influyen, como la corriente del rayo, el nivel ceranico, poresto no se puede hablar de la existencia de una solucin analtica al problema,sino solamente aproximaciones experimentales.

Es importante mencionar el criterio que se tomar en cuenta con respecto a lasconsideradas fallas del sistema elctrico. En la mayora de mbitos que alberga la


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Ingeniera Elctrica, una falla es considerada toda aquella que hace que ciertosistema salga de funcionamiento y en cuanto a lneas de transmisin no podra serla excepcin, respecto al criterio que se est manejando hay que aclarar que unafalla de apantallamiento no siempre provocar una salida de alguna lnea, por locual, este trabajo est basado en fallas estrictamente de apantallamiento, esto

quiere decir que cualquier perforacin que exista en el apantallamiento, provocadapor una descarga atmosfrica, ser considerada como falla sin que esto involucreuna salida del sistema. El planteamiento de alturas y dems elementos queconstituyen el apantallamiento ser considerado a partir del modeloelectrogeomtrico, el cual est basado en un volumen de proteccin, el mismo quedeber cubrir todas las fases de la lnea. Esta teora ser explicada con mayordetenimiento en el siguiente captulo de este proyecto.

2.- DESCARGAS DIRECTAS

2.1.-SOBRE CONDUCTORESLas descargas directas sobre los conductores de fase producirn, casi concerteza, un flameo directo de las cadenas aisladoras, ocasionando una fallausualmente monofsica. El flameo inminente se puede visualizar si tenemos encuenta que la impedancia caracterstica de una lnea de distribucin, esaproximadamente 400 , y que un rayo promedio tiene una corriente pico


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aproximadamente de 30 KA (figura 2), con lo cual la sobretensin pico promedioinducida en la lnea, es: V = 30 KA x 400 = 6000 KV. Si tenemos en cuenta que latensin crtica de flameo (tensin a la cual el aislamiento produce flameos el 50%de las veces), de una lnea de distribucin, es normalmente inferior a 200 KV,concluimos que es muy poco probable que una lnea de distribucin soporte sin

flamear una descarga directa sobre los conductores de fase.

Este tipo de descargas tienen tres caractersticas importantes desde el punto devista de los daos que puede causar:

Si la magnitud de la tasa de crecimiento de la corriente de la descarga tiene unvalor suficientemente alto, puede romper el aislamiento interno de los aisladoresen puntos de la lnea ubicados en cercanas del punto de impacto de la descarga(alrededor de 50 mts.).

Para que este dao ocurra se debe cumplir que la descarga alcance la tensin deruptura de frente escarpado del aislador, en un tiempo inferior a 0.1 s (3). Paraaislamientos de sistemas de distribucin esto corresponde a tasas de crecimientode la corriente del rayo superiores a 10 KA / s, las cuales tienen una probabilidadmuy alta de ocurrir (2), del orden de 70%. (Figura 3)

La ruptura del aislamiento interno del aislador no siempre se produce, debido aque el aislamiento del aire normalmente se rompe primero, pero a medida que latasa de crecimiento de la tensin es mayor, la rigidez del aislamiento del aire

mejora ostensiblemente y puede ocurrir que se haga superior a la del aislamientointerno del aislador obligndolo a que se produzca la ruptura elctrica a travs del. La figura 4 ilustra este concepto.


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En la figura 4 se observa que la descarga 1 hara flamear primero el aire y ladescarga 2, de alta tasa de crecimiento, rompera primero el aislamiento internodel aislador.

El punto de corte de ambas caractersticas es en realidad de muy difcildeterminacin, dado que depende de factores tales como las condicionesambientales y la contaminacin del aislamiento. Debe tenerse en cuenta que enlos postes terminales la tasa de crecimiento de la tensin tiende a duplicarse por elefecto de lnea abierta, por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad desufrir daos. Un fenmeno similar, aunque no tan grave, ocurre en los postes conderivaciones de redes primarias.

La presencia de cuernos saltachispas en los aisladores reduce mucho estosdaos.

Si la magnitud de la corriente de retorno de la descarga tiene suficiente valor,producir flameo al aire y en consecuencia una falla monofsica que obligar lasalida del circuito, con el consiguiente deterioro de la calidad del servicio.


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Dado el bajo nivel del aislamiento en las lneas de distribucin, la magnitud de lacorriente necesaria para producir esta falla se puede estimar como de solo 1 KA:200 KV/ (400/2 ), valor que supera el 99.9% de los rayos.

Cabe anotar aqu, que en este clculo no se debe considerar el aislamiento de las

estructuras de madera, ya que se espera que durante las tormentas este lloviendo,con lo cual la resistencia de la madera se ve sensiblemente disminuida.

Si la distancia entre pararrayos y transformadores es excesiva, la reflexin deondas en los bornes de los transformadores incrementa la tensin excesivamenteen esos puntos, rompiendo su aislamiento interno.

Aunque este efecto se ve amortiguado con la distancia debido a los efectosresistivo e inductivo de la lnea, se ha establecido que la distancia entre pararrayosy equipos debe ser tan corta como sea posible y que si su valor es mayor de 40 m,la proteccin brindada por el pararrayos al equipo es deficiente.

Los daos causados por este efecto en lneas de distribucin, alcanzan un radiode aproximadamente 500 m del punto de impacto, con lo cual es usual encontrarvarios transformadores daados por una misma descarga.

2.2.- SOBRE CABLES DE GUARDA O TORRESEl hilo de guarda es una proteccin muy necesaria, para el propsito de disminuirlos riesgos de disparo de las lneas por descargas atmosfricas, producidas porlas inducciones de sobretensiones de cargas estticas producidas por tormentaselctricas.

De lo dicho resulta que la mejor solucin para proteger lneas areas contradescargas atmosfricas sera impedir que estas entren en los conductores delneas areas.

Los hilos de guarda se colocan por encima de los conductores de fase y estnunidos a tierra en los apoyos de la lnea. De esta manera se reduce el riesgo decada directa del rayo sobre los conductores (*7).

Si el rayo cae sobre un apoyo, la corriente que circula por la estructura metlica deapoyo y a travs de su toma de tierra da lugar a la aparicin de una tensin odiferencia de potencial importante entre la estructura y los conductores de fase.

Esta tensin depende de la intensidad del rayo y de la impedancia que presenta elconjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda de frente escarpadocorrespondiente.


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Si esta tensin supera el valor de la tensin de cebado de aislamientoconductorapoyo, se produce una falla de aislamiento correspondiente, que sedenomina cebado inverso o descarga inversa (*7).

Cuando la descarga directa golpea el cable de guarda o la torre, se presentan

varios fenmenos:

La onda electromagntica producida por la descarga viaja a lo largo delconductor de guarda, e induce, debido al acople inductivo y capacitivo con losconductores de fase, una sobretensin en estos ltimos que puede causar unflameo fase-tierra. La figura 5 ilustra este concepto

El factor de acople entre cables de guarda y conductores de fase es el porcentajede tensin inducida en la fase para una sobretensin dada en el cable de guarda.

En lneas de distribucin vara entre 0.1 y 0.5, dependiendo de la altura del cable

de guarda sobre los conductores de fase. En el mejor de los casos, con ngulosde apantallamiento menores de 30, el factor de acople es an suficiente para queuna descarga promedio produzca flameo. Esta conclusin se puede visualizarcomo sigue:

La tensin inducida en el cable de guarda, el cual tiene una impedanciacaracterstica cercana a 500 , para una descarga promedio, es aproximadamente:7500 KV (30 KA x 500/2 ), con lo cual la induccin en el conductor de fase serdel orden de 750 KV con un factor de acople de 0.1, haciendo inminente el flameoa tierra en el conductor de fase. Cabe anotar aqu, que en esta estimacin no se

tuvieron en cuenta las reflexiones negativas producidas en los puntos en queestn puestos a tierra los cables de guarda (ver figura5), ni el efecto corona,factores que pueden disminuir ostensiblemente la tensin pico alcanzada en elcable de guarda y por ende la induccin. La influencia benfica de las reflexionesnegativas resalta la importancia de poner a tierra los cables de guarda en el mayornmero de puntos posibles, siendo ideal hacerlo en cada poste o estructura.

Para descargas atmosfricas de alta tasa de crecimiento de la corriente, la puestaa tierra de los extremos del cable de guarda no ser suficiente para evitar unagran induccin en el conductor de fase, con lo cual el riesgo de falla en la lnea de

distribucin por descargas atmosfricas en el cable de guarda es muy elevado.Aunque es muy difcil establecer un porcentaje de fallas, en general podemosestimarlo como alrededor del 70%, que corresponde a la suposicin de que lasreflexiones amortiguan el 50% de la onda incidente, de que el factor de acople seadel 10% y que la tensin de flameo directo del aislamiento sea de 200 KV, yconsiderando adems el aumento de la tensin de tierra correspondiente. Este


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resultado indica que el cable de guarda solo podra proteger contra el 30% de lasdescargas que lo alcancen.

De este breve anlisis se concluye que los cables de guarda en lneas dedistribucin no ofrecen una proteccin muy efectiva contra descargas directas.

La descarga impacta en el vano del cable de guarda o en la torre, repartindoseentre los cables de guarda y la puesta a tierra del poste. Dado que usualmente lapuesta a tierra en lneas de distribucin es muy pobre (reducindose a enterraruna varilla copperweld), la resistencia de puesta a tierra del poste es usualmentealta (mayor de 20 ), con lo cual una corriente de rayo relativamente baja

producir un apreciable incremento de tensin entre el conductor de puesta atierra (o el cable de guarda) y los conductores de fase, facilitando la aparicin deun flameo inverso. La figura 6 ilustra este concepto.

Para que ocurra flameo inverso en una lnea de distribucin, se requiere que latensin producida por la corriente a tierra sea mayor que la tensin crtica deflameo inverso, ms tres desviaciones estndar del aislamiento de la lnea. Estatensin, en lneas de distribucin, no supera los 300 KV, con lo cual la corrientenecesaria para producir flameo es aproximadamente: 15 KA (I = 300 KV/20 ). Paraproducir esta corriente se requiere alrededor de 30 KA de corriente de retorno con

lo cual se espera que cerca del 50% de las descargas en la lnea de distribucinproduzcan flameo inverso. As pues, si la resistencia de puesta a tierra es alta, seproducir flameo directo por induccin o inverso por sobretensin en el cable deguarda, por lo que debe procurarse que este valor sea tan bajo como se pueda.

2.3.- DESCARGAS INDIRECTASLas descargas indirectas son aquellas que no impactan directamente la lnea, peroque retornan por un canal ionizado cercano a la lnea (dentro de un radio de


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aproximadamente 200 m). El cambio brusco del campo electromagnticoproducido por la circulacin de la corriente de retorno induce en la lnea unasobretensin. La figura 7 ilustra este concepto De acuerdo con investigaciones,(1), (3), se ha encontrado que cerca del 80% de los daos en lneas dedistribucin, son producidos por este mecanismo. As pues, las descargas

indirectas constituyen la principal causa de daos por descargas atmosfricas, nosolo en lneas de distribucin sino en instalaciones domiciliarias y decomputadores.

La proteccin contra este tipo de inducciones consiste en la construccin de unajaula de Faraday alrededor de los conductores. Obviamente, una jaula ideal serade construccin injustificable econmicamente en la mayora de los casos, pero lapresencia del cable de guarda ha demostrado comportarse como una jaula deFaraday bastante buena (1), (3), reduciendo apreciablemente el nmero de fallaspor este concepto.

La presencia del cable de guarda en una lnea de distribucin, se justifica, no solocomo proteccin contra descargas directas, sino por su efecto de jaula de Faradaycontra descargas indirectas.


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Por una parte lo primero es bueno para reducir el riesgo elctrico a las personasque toquen una torre de alta tensin, y minimizar as las posibles tensiones depaso que pueden generarse. Por otra parte es perjudicial porqu es sabido queesto facilita que el rayo encuentre un camino de resistencia baja en los puntosms altos, cuando el rayo impacta en la torre, aparecen en ms o menos medida

fugas de corriente de alta tensin por las estructuras, poniendo en riesgo a laspersonas que estn cerca de la torre en ese preciso instante.


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Otro motivo perjudicial a nivel de seguridad elctrica y del propio transporte deenerga es cuando un rayo impacta en el cable, ste sufre una degradacin dematerial, es decir, la energa generada del rayo en el punto de contacto del cable,crea la fusin del material y perdida de ste por un lado, y por otro, la modificacin

de su resistencia mecnica. Un cable afectado por rayo, es un peligro inminentepara el suministro elctrico, ya que se puede partir y cortocircuitar los cables detensin que estn por debajo de l, creando ms chispazos y fusin de los cablesde tensin. El problema no es la desconexin del servicio, el problema es queseguramente este deterioro no se percibe en el momento de la reparacin y msadelante puede aparecer el accidente de verdad.


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Las empresas de control visual en vuelo, pueden apreciar el deterioro causado porun rayo en los cables de guarda, las inclemencias meteorolgicas; viento, nieve y

lluvia heladora, pueden facilitar que un cable afectado por rayo se rompa,incluyendo el sobrepeso de los pjaros.

Quien no ha visto centenares de pjaros encima de los cables, el problema no esel peso, el problema es el esfuerzo al salir al vuelo todos de golpe, ese esfuerzogenera que el cable se ponga en tensin y vibre.


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En Andorra se registran rayos de ms de 200.000 amperios y en funcin de laresistencia de la tierra, las tensiones que pueden aparecer en una torre de altatensin sern de millones de voltios, llegando la torre a ponerse al rojo vivofsicamente. Al enfriarse el metal rpidamente porque hay tormenta y fuertes


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vientos, el material padece un efecto de destemple, es decir que su estructuramolecular a cambiado, perdiendo resistencia y por defecto aguante mecnico.

3.1.- MTODOS CLSICOS DE UBICACIN DEL HILO DE GUARDA (*5)Existen diferentes mtodos para ubicar los cables de guarda y cada uno de ellosproporciona una zona de proteccin contra descargas directas diferente.

Los mtodos clsicos se basan principalmente en criterios geomtricos sinmayores fundamentos tericos que los resultados obtenidos de su aplicacin. Losmtodos clsicos que se utilizan en este trabajo son:

Charles. Wagner y Mac Cann. Schwaiger. Langrehr.

Tambin existen mtodos modernos que se basan en modelos tericos delfenmeno de descargas atmosfricas. En este trabajo se utiliza en particular unmtodo basado en el denominado Modelo Electro-geomtrico.

A continuacin se analiza la proteccin brindada por los cables de guarda de laslneas de transmisin segn los diferentes mtodos que han sido tomados encuenta en este trabajo, sin embargo existen un sin nmero de mtodos con los


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que se pueden realizar los clculos para determinar el grado de proteccin de unalnea de transmisin.

En algunos casos se indica tambin la ubicacin que deberan tener los cables deguarda para brindar una proteccin ptima segn cada criterio. Cabe mencionar

que no existe ningn mtodo que asegure que el apantallamiento nunca fallara,puesto que una descarga atmosfrica no tiene un comportamiento uniforme.

3.1.1 CharlesEste criterio establece un ngulo de apantallamiento = 45 con la vertical, demodo tal que la descarga atmosfrica no caer sobre ningn objeto que seencuentre dentro del cono delimitado por dicho ngulo.

Este criterio es poco severo y permite ubicar el cable de guarda a menor altura. Elapantallamiento que brindan los cables de guarda de la lnea segn este criterio sepuede ver en el ejemplo, figura 1.4, se observa que las fases exteriores tienen unapantallamiento excesivo mientras que la fase central no resulta protegida.

FIGURA 1.4

ZONA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGN CHARLES


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Reubicando los cables de guarda, segn este criterio se logran dos alternativas,simple o doble cable de guarda. La ubicacin resultante puede ser la que semuestra en la figura 1.5.

FIGURA 1.5

ZONA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGN CHARLESPARA SIMPLE Y DOBLE CABLE.

Es interesante destacar que segn este mtodo, se evita colocar una estructuraadicional para soportar los cables de guarda. Esto reafirma que el criterio es muypoco severo.

3.1.2.- Wagner y Mac CannDe forma similar al criterio anterior, ciertos autores consideran que los cables de

guarda protege un ngulo = 30 con la vertical, esto resulta en una ubicacin mselevada del cable de guarda. El apantallamiento que brindan los cables de guardasegn este criterio se puede ver en la figura 1.6, se observa que solamente lasfases laterales resultan protegidas.

FIGURA 1.6


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ZONA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGN WAGNERY MAC CANN

Aplicando este criterio se podra reubicar los cables de guarda, para que resultenprotegidos todos los conductores, tal y como se muestra en la figura 1.7.

FIGURA 1.7REUBICACIN DEL CABLE DE GUARDA SEGN WAGNER Y MAC CANN. ENLA PARTE SUPERIOR DE LA TORRE SE INDICA CON LNEA PUNTEADA LAUBICACIN ORIGINAL DEL HILO DE GUARDA


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3.1.3 SchwaigerEste mtodo considera que cuando una descarga atmosfrica se aproxima a latierra, este alcanza una altura H (medida desde el suelo), la cual elige para caer el

punto conectado a tierra ms cercano. Teniendo en cuenta la afirmacin anteriorse puede determinar una altura h a la cual instalar un elemento captador, de formatal de proporcionar una zona de proteccin.

FIGURA 1.8

CRITERIO SCHWAIGER, CONSTRUCCIN TERICA


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El autor del mtodo toma la relacin H/h = 1 siendo H el punto donde se encuentrala punta del rayo, y h la altura del cable de guarda. La zona de proteccinresultante queda determinada por un cuarto de circunferencia de radio h, como sepuede ver en la figura 1.8, de modo tal que resultar protegido lo que se encuentrepor debajo de esta. Segn este criterio los cables de guarda de las lneas de

transmisin, protegen una zona delimitada por una circunferencia con un radioigual a la altura del hilo de guarda, tal y como se puede ver en la figura 1.9, losconductores de potencia no se encuentran protegidos.

FIGURA 1.9

ZONA DE PROTECCIN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGNSCHWAIGER


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Se puede determinar la altura a la que deberan instalarse los cables de guarda,segn este criterio, para lograr que los conductores de potencia resultenprotegidos. Para esto se calcula la altura mediante la siguiente ecuacin:

3.1.4 LangrehrEste criterio hace exactamente las mismas consideraciones tericas que elanterior (Schwaiger), pero toma la relacin H/h=2, siendo H el punto donde seencuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guarda. De esta manera lazona de proteccin resulta delimitada por un cuarto de circunferencia de radio 2h.

Aplicando este criterio, la zona de proteccin resulta delimitada por unacircunferencia de 2h [m] y como se puede ver en la Figura 1.10, solamenteresultan protegidas las fases exteriores.

Un resultado curioso se obtiene al determinar la altura a la que deberan instalarselos cables de guarda segn este criterio para lograr que los conductores depotencia resulten protegidos. Para esto se utiliza la siguiente ecuacin:


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El resultado indica que el cable de guarda se debe instalar a una altura 10cm. Pordebajo de su ubicacin real. De modo tal que para proteger a la lnea segn estecriterio solamente se deberan desplazar los cables de guarda un valor a hacia elcentro de la torre. Esto est indicado en la Figura 1.11. Otro aspecto interesante adestacar, es la similitud de este criterio con el de Wagner y Mac Cann (30), ya

que ambos proporcionan una zona de proteccin muy parecida.

FIGURA 1.11


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REUBICACIN DEL CABLE DE GUARDA SEGN LANGREHR,SE MUESTRA EL DESPLAZAMIENTO REALIZADO Y UNA NUEVA

ESTRUCTURA DE SOPORTE.

3.2.- MODELO ELECTROGEOMTRICO (*6)El objetivo de este modelo es determinar el punto de impacto de una descargateniendo en cuenta su intensidad mxima de corriente y la localizacin del canalde esta descarga, que se supone tiene una trayectoria vertical. Al acercarse una

descarga a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dielctrica del aire yse produce el salto hacia el objeto ms cercano, que puede ser un rbol, una lneao la misma tierra.

La distancia de ruptura, o distancia a la que salta el arco, depende de la magnitudde la corriente de la descarga. Sin embargo, en general la distancia de ruptura deun conductor en la cima de una torre difiere de la distancia de ruptura a la tierra.

Esto es obvio dado que la pendiente de una descarga con electrodos punta-plano(lder descendente que conecta con la tierra) difiere de la pendiente de una

descarga con electrodos punta-punta (el lder descendente conecta a la torre). As,en general, existen al menos dos distancias de ruptura, una a los conductores defase o los cables de tierra rc, y otra a la tierra rg, ver Figura 1.12.

FIGURA 1.12

MODELO ELECTROGEOMTRICO PARA UN SOLO CABLE.


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Ntese que las distancias de atraccin al conductor de fase y al cable de guardason supuestas iguales. En la realidad, la intensificacin del campo elctrico entrenube y tierra produce distancias de atraccin diferentes para el plano de tierra conrespecto a las de los conductores, e IEEE ha sugerido utilizar las siguientesecuaciones para calcular estas distancias en los dos casos:

Donde yc es la altura promedio del conductor en metros, dada por la altura de latorre menos dos tercios de la flecha a medio claro.

FIGURA 1.13IDENTIFICACIN DE LA FLECHA.


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Estas ecuaciones son las que mejor se aproximan a la realidad puesto que, tomamuy en consideracin la distancia o altura de la torre y esta a su vez depende delnivel de voltaje de transmisin.

El sobrevoltaje originado por una descarga origina contorneo si su valor essuperior al nivel de aislamiento. Al menor valor de la intensidad de corriente quecausa contorneo se le denomina intensidad de corriente crtica (Ic). Segn CIGRE,la descarga de corriente ms baja es 3 kA. Sin embargo, otros investigadorescreen ms razonable bajar hasta valores de 1 o 2 kA. Sin embargo, el nmero dedescargas con corrientes de cresta entre 0 y 3 kA. es muy reducido frente alnmero de descargas totales que impactan en una lnea area.

3.3.- COMPARACIN ENTRE LOS MTODOS CLSICOS Y EL MODELOELECTROGEOMTRICOYa habiendo revisado, a breves rasgos, las caractersticas de cada uno de losmtodos para el clculo de la ubicacin del hilo de guarda se puede tener claroque los mtodos convencionales o clsicos tienen un criterio de ngulos pocorespaldado y no toman en cuenta variables significativas como la corriente dedescarga.

As tambin en cada uno de los mtodos se puede destacar algunas falencias:


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Charles.- Este es un criterio poco severo, ya que permite ubicar al cable deguarda a una menor altura lo cual podra ocasionar una falla en elapantallamiento, dependiendo de la corriente de la descarga.

Wagner y Mac Cann.- A pesar de que este criterio recomienda un menorngulo (30) y por tanto una mayor altura en cuanto a ubicacin del hilo de

guarda y muchas veces podra ser un desperdicio en altura, su cono deproteccin es menor, sin embargo no se garantiza que las lneas seencuentren protegidas ante todas las descargas.

Schwaiger.- En cuanto a este criterio no se podra determinar a cienciacierta el punto de desfogue a tierra del rayo, considerando que este puntose encuentra a una altura bastante elevada por lo que este mtodo resultaimpracticable desde un punto de vista tcnico econmico.

Langrehr.- Este criterio tiene similitud con el criterio de Wagner y Mac Cann,por lo cual las consideraciones antes mencionadas son aplicables en este

mtodo tambin.En cuanto al Modelo Electrogeomtrico, se ha considera un mtodo ms seguroen cuanto a proteccin de lneas, ya que este involucra ciertas caractersticas delas descargas atmosfricas como son la corriente y el nivel ceraunico, este mtodoest basado en extrapolacin de resultados de ensayos de laboratorio, conmtodos tericos dando as una expresin matemtica para verificar que laubicacin del hilo de guarda sea la apropiada.

4.- EL CABLE DE GUARDIA CON FIBRAS PTICAS (OPGW)Hace un tiempo describimos las caractersticas de la construccin de una lneaelctrica en Argentina y se especific el uso de cables de guardia de fibra opticaOPGW. Ahora profundizaremos en la utilizacin de esta tecnologa.

Es la mejor solucin tcnica para la transmisin digital dadas la buena proteccindel cable y la alta disponibilidad del sistema que puede obtenerse.

Se recomienda su utilizacin cuando se trate de una lnea elctrica nueva, dadoque la diferencia de valor con un hilo de guardia convencional radica solamente enel costo diferencial de la provisin del material.

Se aconseja como reemplazo del hilo de guardia existente, cuando debanpreverse cortes de lnea de cierto lapso de tiempo, o se prevean grados dedificultad en las obras que hagan til la independencia de las comunicaciones,teleproteccin y otros.


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Es de uso cada vez ms frecuente compartir el uso del OPGW con prestadores deservicio de transmisin de datos y/o telefnicos, a partir de la desregulacin de losservicios.

Las necesidades de comunicacin de las empresas del rea elctrica son

normalmente satisfechas con un solo cable de fibra ptica, pudiendo usarse comosegundo hilo de guardia el de acero convencional. Sin embargo, dada laconveniencia antes mencionada de compartir servicios interurbanos detransmisin de voz y/o datos y/o videos, con otros carriers, se recomienda laconveniencia de considerar la instalacin de sendos OPGW.

Tanto en el caso de reemplazar el hilo de guardia existente por un OPGW, ascomo en el caso de instalar uno nuevo, debe analizarse el efecto sobre lasestructuras soporte de la lnea, dadas las diferencias de peso, tiro y efectosagregados que trae aparejadas (situacin sta que no es crtica en un hilo de

guardia tradicional).

Se recomienda tener en cuenta:

Nuevas tensiones de tiro axial.

Nuevos esfuerzos sobre torres.

Vibraciones por efecto del viento.

Mayor carga por hielo.

Vibraciones por deshielo.

El tendido y flechado de un cable de OPWG debe requerir cuidado para reducir al

mximo los efectos negativos de:

La torsin en el cable y en las fibras.

El doblado del cable.

La compresin y la traccin.

La prdida de estanqueidad durante el proceso de instalacin.

Deben fijarse mayores exigencias para la amortiguacin de vibraciones mediantestockbridges, pues el cable de fibra ptica es mucho ms sensible a lasconsecuencias de las vibraciones por las microcurvaturas que sufren las fibras

durante las oscilaciones. Deber efectuarse un modelado y estudio de lasvibraciones para limitar los valores mximos y fijar las condiciones deamortiguacin. Debern fijarse las condiciones para la medicin de las vibracionesluego de la puesta en servicio, (tpicamente cada dos aos) para comprobacin delos clculos realizados y luego durante el servicio para mantener protegida lascondiciones de trabajo de las fibras.


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5.- FORMULACIN DEL MODELO PARA EL APANTALLAMIENTO DELAS LNEAS DE TRANSMISINEn el anlisis expuesto en el captulo 1, se han considerado los mtodosexistentes para el clculo de apantallamiento, as como tambin de por qu se

escogi el modelo Electrogeomtrico, tomando en cuenta esos criterios es que sepuede arrancar con el anlisis del modelo antes mencionado.

El modelo Electrogeomtrico est basado en la construccin de arcos con centroen los hilos de guarda y los hilos de fase, dando una similitud de paraguasubicados a lo largo de toda la trayectoria de la lnea, considerado para esto unadistancia de arqueo (que se mencionar ms adelante), la interseccin formadaentre los paraguas o escudos de cada hilo indica si las fases se encuentranprotegidas o por el contrario expuestas, el objetivo del apantallamiento, en estecaso hilo de guarda, es cubrir, con el escudo, a todas y cada una de las fases

existentes, con esto se consigue que toda descarga que caiga y pase junto a estaso intente impactarlos sea atrapada por el hilo de guarda para luego ser dirigida atierra.

5.1 COMO MEDIR LOS PARMETROS DEL RAYO (*1)El rayo por ser una corriente elctrica variable produce un campoelectromagntico irradiado. Este campo aparece como perturbador de lossistemas que presentan lazos o bucles de conduccin.

La frecuencia equivalente del campo se ubica en la gama de las ondas de granamplitud por tal motivo es difcil de producir un blindaje para evitar su accin. Losreceptores de radio, de amplitud modulada (kHz), receptan las ondas de estecampo an dentro de los edificios.

Una forma de medir los parmetros del rayo es aprovechar este campoelectromagntico, captndolo y registrndolo como oscilograma con una base detiempo exacta y precisa que permita la discriminacin de variaciones en unadcima de microsegundo (10-7 s). La antena de donde parte el campoelectromagntico es el canal ionizado, que en el caso de las descargas nubesuelo, se puede asimilar a un conductor rectilneo aproximadamente vertical degran longitud (3 4 km).

En una aproximacin simplificada, podemos aceptar que para una distancia dsuficientemente alejada del lugar de impacto, la intensidad de campo magnticoH[A/m] est dada por la ley de Ampre.


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a una distancia r [m] de un alambre rectilneo infinitamente largo, por el que circulala corriente I [A].

FIGURA 2.1

CAMPO MAGNTICO GENERADO POR LA CORRIENTE DEL RAYO

Si la descarga es vertical, el campo ser esencialmente horizontal. El lazo o espiraque concatene las lneas de este campo debe ser vertical. En esta condicin latensin inducida segn la ley de Lenz ser: (*1)


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Debemos tener en cuenta que en tiempo tormentoso las nubes se cargan y sedesplazan caprichosamente a merced del viento, los campos elctricos puedencrecer de tal modo que ocasionen descargas verticales, horizontales o inclinadasen cualquier direccin con respecto al plano horizontal donde se ubica la estacinobservadora.

Para poder discernir el tipo de descarga ocurrida debemos disponer mnimamentede tres elementos receptores orientados segn un sistema de ejes coordenadospara captar en ellos la informacin simultneamente, procesando luego cadainformacin como una componente para obtener la resultante.

6.- FORMA TERICA DEL IMPULSO DE CORRIENTE EN DESCARGASATMOSFRICAS (*1)En ingeniera para el anlisis del comportamiento de fenmenos naturales se trata

de establecer un modelo, siempre de validez restringida y resulta muy agradablefinalmente poder explicitar el comportamiento de ese modelo mediante unaexpresin matemtica. El modelo servir finalmente de simulador para sacarconclusiones y adoptar medidas que permitan aprovechar las buenasconsecuencias del fenmeno y evitar o atenuar las malas consecuencias.

En el caso de la corriente de impulso en una descarga atmosfrica, la expresinmatemtica propuesta para graficar sus valores en funcin del tiempo es:

Esta expresin sirve para graficar tanto el impulso positivo como el negativo y losimpulsos subsiguientes.


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Por supuesto que la forma real de la corriente debido a una descarga atmosfricadifiere de este modelo matemtico, pudindose constatar en los registrososcilogrficos la superposicin de oscilaciones de mayor frecuencia y amplitudvariable sobre esta forma pura exponencial con doble constante de tiempo. Sintener en cuenta las oscilaciones de alta frecuencia se puede apreciar un primerfrente de elevada pendiente de la corriente, con una duracin de algunos s (hasta20 s como mximo).

Una vez alcanzado el valor mximo la corriente decrece en forma exponencial conuna constante de tiempo mayor, durante un tiempo de algunas decenas demicrosegundos (hasta 100 150 s como mximo). Dada la gran variabilidad decada uno de los parmetros elctricos de una descarga, se recurre arepresentaciones que indican el % de probabilidad que tal valor sea superado enfuncin de una escala de valores.

Tomamos como ejemplo los valores que propone la CIGRE (ConferenciaInternacional de Grandes Redes Elctricas), y el IEEE, para dos magnitudes muy

significativas en la cada de un rayo:


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Se notan discrepancias entre valores propuestos por distintos autores, atribuiblesmuy posiblemente a las distintas experiencias que sirvieron como fuente de datos.De cualquier forma estos valores sirven como marco de referencia para aceptarvalores, que uno mismo pueda obtener, en las mediciones que realice dentro desus propias experiencias de campo.


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CONCLUSIONES

Las descargas atmosfricas en lneas de distribucin constituyen un granporcentaje de las fallas en el sistema y en los equipos a este nivel de tensin,

debido a su bajo nivel de aislamiento.

Las descargas directas en lneas de distribucin exigen fuertemente delaislamiento interno de los aisladores, cuando la tasa de crecimiento de la corrienteincidente es alta, lo cual ocurre con mucha frecuencia.

Los aislamientos de equipos y aisladores, estn ms expuestos a daos en postesterminales o de derivaciones de ramales.

El cable de guarda es recomendable en lneas de distribucin, no tanto por suefecto de apantallamiento contra descargas directas (contra las cuales no es muy

efectivo), sino por su blindaje contra descargas indirectas, las cuales producencerca del 80% de los daos y salidas de lneas de distribucin.

El efecto del cable de guarda se ve mejorado apreciablemente por una buenapuesta a tierra de los mismos, la cual se recomienda hacer en cada poste con unvalor de resistencia de puesta a tierra no mayor de 20 .

El cable de guarda en lneas de distribucin debe ubicarse tan alejado como sepueda de los conductores de fase, para lo cual el ngulo de apantallamiento nodebe ser en ningn caso mayor de 30.

Los aisladores de los postes terminales y derivaciones podran protegerse concuernos saltachispas, para evitar ruptura interna antes descargas rpidas.

Se recomienda que en el recorrido de la lnea, en reas urbanas, la mximadistancia entre pararrayos no supere los 200 mts.

Es importante que en todos los casos, los transformadores de distribucin tenganpararrayos con una puesta a tierra no mayor de 10 y que se conecten losneutros de los transformadores a la bajante a tierra del pararrayos, con unaconexin tan corta como se pueda.


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BIBLIOGRAFIA

Bibliografa

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ANEXOSACCESORIOS de HILO de GUARDIA y CONDUCTOR para ESTACIONESTRANSFORMADORAS y LNEAS de TRANSMISIN

cable de guarda como proteccion de lineas de transmision

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