coordinacion de aislamiento contra descargas atmosfericas

INTRODUCCIÓN

El proyecto a presentar comprende básicamente de la realización de la coordinación de aislamiento para las líneas de transmisión cuando existe la presencia de un rayo o descarga atmosférica.

Las sobretensiones pueden ser originadas por la presencia de este fenómeno, el cual es considerado de origen externo, y es aquel que provoca mayores valores de sobretensiones (115 Kv - 300 Kv) Las fallas por descargas atmosféricas en líneas de transmisión llegan a registrar entre el 70 y 80% de todas.

Es por ello, que la coordinación de la aislación consiste en la adecuada y apropiada disposición de equipos en un sistema eléctrico en función de su nivel de aislamiento con el fin de que, ante la existencia de cualquier sobretensión en dicho sistema ésta se descargue o elimine por el equipo adecuado sin causar daños en otros elementos o equipos.

OBJETIVOS

Aplicar los conocimientos adquiridos en la materia actualmente tomada Líneas de transmisión y Subestaciones.

Comprender los procedimientos que se llevan a cabo para la coordinación de aislamiento para rayos o descargas atmosféricas en las líneas de transmisión.

Explicar el funcionamiento de los distintos dispositivos de protección contra las sobretensiones en las líneas de transmisión.

Realizar y analizar dos ejemplos con respecto a la coordinación de aislamiento contra descargas atmosféricas.

AISLAMIENTO

Todo aquel material que posee la propiedad de

presentar una elevada resistencia al flujo de

electrones, cuando este es sometido a una

diferencia de potencial, se lo conoce como aislante,

los mismos que se clasifican según su:

Composición Química.- orgánicos e inorgánicos

Forma de obtención.- Naturales y sintéticos

Estructura molecular.- Polares y no polares

Estado Físico.- Sólidos, líquidos y gaseosos

BIL (BASIC IMPULSE LEVEL)

Es el valor de cresta de onda de sobretensión por rayo que como

máximo puede soportar un aislante sin que se produzca una carga

disruptiva a través de un aislante.

TCF (TENSIÓN CRÍTICA DE FLAMEO)

Se define como la tensión obtenida en forma experimental con una

probabilidad de flameo del 50%, esto ya sea por efecto de un rayo o

maniobra.

Tabla 1

Coordinación de Aislamiento para rayo.

Publicación 71 de la IEC “Coordinación de aislamiento”

SOBRETENSIONES

Según la norma IEC 71-1: “Cualquier tensión entre un conductor de

fase y la tierra, o entre conductores de fase, cuyo valor de cresta

sobrepasa el valor de cresta correspondiente a la tensión más

elevada para el material”.

Las sobretensiones pueden clasificarse en:

Sobretensiones temporales.

Sobretensiones de maniobra.

Sobretensiones atmosféricas.

Figura 2


Clasificación de las Sobretensiones

FORMACIÓN DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA

Tienen su inicio cuando se forman grandes concentraciones de carga eléctrica

en las capas de la atmósfera inmediatamente inferiores a la estratósfera, es

decir, su formación se da en las nubes y a medida que se incrementa la

generación de cargas, aumentara la diferencia de potencial entre las nubes y

el suelo. Cuando esta diferencia sobrepasa el poder aislante del aire, surgirá

la descarga atmosférica

Esta descarga puede llevar corrientes de hasta 200kA, pero el promedio oscila

en 27 KA.

Figura 3


Formación y evolución de la descarga atmosférica.

DESCARGA ATMOSFERICA

Rayo directo: es aquel que provoca que por la línea de transmisión

fluya una onda de corriente de varias decenas de kA, lo que podría

causar daños en los conductores. Dicha corriente se propaga a una

y otra parte del punto del impacto como se muestra en la figura 4,

ocasionando un aumento en la tensión U.

donde:

i: Corriente inyectada

Zc: Impedancia características de la línea (300 a 1000 ohm).

Figura 4


Rayo Directo en una línea de transmisión.

El rayo indirecto: Este fenómeno se da cuando el rayo cae sobre una torre o en las proximidades de

una línea generando una sobretensión importante. Este tipo de rayo es más frecuente que el

directo.

Cuando el rayo cae sobre una torre o el cable de guarda, el paso de la corriente a tierra determina

un incremento del potencial de las estructuras con respecto a tierra (figura 5).

donde:

i: Corriente inyectada

R: Resistencia a la onda de la estructura a tierra.

L: La autoinducción de la torre y/o del conductor de puesta a tierra.

Figura 5


Rayo Indirecto en una línea de transmisión.

Cuando esta tensión alcanza el valor de la tensión de contorneo de un aislador, se produce un arco

de retorno entre la torre y uno o más conductores activos.

LA COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO

El objetivo de realizar la coordinación de aislamiento es determinar las características

de aislamiento necesarias y suficientes de los diferentes componentes de las

redes que buscan obtener una rigidez homogénea a las tensiones normales, así

como a las sobretensiones de origen diverso

Al coordinar los niveles de aislamiento en las líneas de transmisión, se debe tener en

cuenta que no existen muchos parámetros que puedan ser modificados para

reducir los índices de salidas por descargas atmosféricas. Prácticamente se debe

seleccionar un ángulo de blindaje adecuado y un sistema de conexión a tierra

eficiente.

PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

El objetivo de dar protección contra este fenómeno es descargar a tierra las

sobretensiones que se presenten y afecten al sistema, proporcionándoles un

camino libre con baja impedancia. Para lograr esto de forma correcta, se toma en

consideración lo siguiente:

Hilos de guarda

Cadena de Aisladores

Pararrayos (bayonetas)

Puesta a Tierra

HILOS DE GUARDA

La mejor solución para dar protección a las líneas aéreas contra sobretensiones

atmosféricas sería impedir que éstas entren en los conductores. Para eliminar

totalmente la influencia del campo electroestático atmosférico sobre los

conductores se debería construir alrededor de ellos una jaula de Faraday, lo que

resulta económica y técnicamente imposible. No obstante, la experiencia ha

confirmado que al colocar uno o dos cables paralelos a los conductores de fase

se garantiza una discreta protección contra las descargas atmosféricas. Dichos

cables que brindan protección se los denominan hilos de guardia o hilos de tierra,

los cuales son colocados en el extremo más alto de los soportes y se conectan

mediante la misma estructura del soporte a tierra.

Figura 8


Cable de guarda.

CADENA DE AISLADORES

Constituidos por un número variable de elementos según la tensión de

servicio; formando una cadena móvil alrededor de su punto de

unión al soporte. Este es el tipo de aislador más empleado en

media y en alta tensión.

Figura 9


Cadena de aisladores.

Pararrayos (bayonetas)

Son piezas de tubo de hierro galvanizado, con su extremo superior cortado en diagonal

que termina en punta. Su longitud es variable dependiendo de la zona que se desea

proteger y con un diámetro que depende de la longitud del tubo.

Estos elementos constituyen un medio adicional de protección contra los golpes de

rayos directos, aunque cabe recalcar, que éstos no siempre son necesarios cuando

la red de hilos de guarda está calculada y elaborada de forma correcta. Son

colocadas sobre la parte más altas de las estructuras

Figura 10


Pararrayo o bayoneta.

Puesta a Tierra

Una instalación de puesta a tierra tiene un comportamiento no

lineal y dependiente de la frecuencia. Su respuesta ante una

descarga atmosférica de pende de la intensidad de pico y del

frente de onda de la descarga.

Se puede representar como una resistencia cuando, por efectos

del rayo, se produce una corriente de descarga; sin embargo

esta aproximación es poco precisa.

Un estudio riguroso debe considerar que los parámetros

eléctricos del electrodo o la red de puesta a tierra están

distribuidos y tener, por tanto, en cuenta los valores de las

impedancias

Flameo Inverso.- La descarga atmosférica que cae en el cable de guarda o directamente

en la torre, al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar una alta resistencia no

encuentra un medio propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera

eficiente, y hace que la torre alcance un alto potencial eléctrico, que aumenta

súbitamente la tensión entre el brazo de la torre y el conductor de fase, hasta el punto

que se supera el aislamiento proporcionado por el aire exterior a la cadena de

aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se encuentra a un

alto potencial) y el conductor de base. Lo anterior es lo que se conoce como flameo

inverso y se llama así porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor

de fase, como puede apreciarse en la Figura 11.

Figura 11


Flameo inverso en una torre de transmisión.

ANALISIS DE LA COORDINACION DE

AISLAMIENTO

Cálculo de altura del cable de guarda.

Es necesario previamente definir algunas variables para calcular la altura de

montaje.

Angulo de blindaje o relación de protección del cable más expuesto a

descargas atmosféricas.

Se determina a partir del ángulo que forma la hipotética altura de montaje del

cable de guarda, generalmente sobre la estructura y el brazo de la estructura

que separa al conductor más expuesto de ella misma. En la siguiente figura

se ilustra el concepto:

α

Figura 12


Ángulo de blindaje.

El cálculo de la altura del cable de guarda se realiza de acuerdo a la expresión siguiente:

donde:

HG: es la altura del cable de guarda (m).

DMIN: es la distancia mínima que puede existir entre conductor y estructura1 (m).

DC: es la distancia vertical real (aisladores más herrajes [m]).

θ: es el ángulo de desviación de la cadena de aisladores (grados).

Como resultado se tiene: La altura del cable de guarda representa la mayor distancia perpendicular del piso de la estructura de soporte. •Cuando la altura del cable de guarda se expresa tomando el nivel de suelo como referencia (respecto al piso). •Cuando la altura del cable de guarda se expresa tomando la altura del cable más expuesto como referencia (respecto al brazo).

Determinación del ángulo de blindaje

El ángulo de blindaje con que se ha determinado la altura de montaje del cable de guarda fue seleccionado empíricamente a partir de la experiencia de fabricantes de estructuras de soportes. Sin embargo se puede optimizar un ángulo de blindaje utilizando el modelo electro-geométrico de Whitehead y los datos topográficos del recorrido.

Las variables que determinan el ángulo crítico de blindaje son:

Nivel básico de aislamiento por impulso (BIL), pues el cable de guarda opera solamente para descargas atmosféricas directas o bien para tensiones inducidas por polarización.

Impedancia característica de la línea.

Corriente de la descarga atmosférica o de tensión inducida.

Longitud del vano promedio de la línea de transmisión.

Distancia horizontal entre las posiciones del cable de guarda y del conductor de fase más expuesto.

Distancia entre cable de guarda y el conductor de fase más expuesto.

Modelo Electro-geométrico: cuando una descarga

atmosférica se aproxima a una línea de transmisión o a

la tierra a una distancia r de arqueo, la descarga puede

hacer impacto ya sea en la línea de transmisión o en la

tierra. La distancia de arqueo es una función de la carga

y consecuentemente función de la magnitud de la

corriente de descarga. La siguiente ecuación permite

determinar la distancia de arqueo en función de la

corriente.

donde:

r: es la distancia de arqueo en metros.

I: es la corriente de descarga en Ka.

donde:

a: distancia horizontal entre el cable de guarda y conductor de fase

respectivamente.

h: altura del cable de guarda.

y: altura del conductor de fase.

r: distancia del arqueo.

α: ángulo de apantallamiento.

Figura 13


Modelo Electro-geométrico.

Incidencia de la descarga atmosférica en la torre

Las descargas atmosféricas incidiendo en las torres de las líneas de

transmisión, se conducen a tierra a través de éstas, de manera que

su efecto se debe disipar en el terreno, para que esto ocurra es

necesario que exista un valor de resistencia bajo, este valor se lo

conoce como resistencia al pie de la torre y depende principalmente

de la naturaleza del terreno, expresada para los cálculos eléctricos

en términos en su resistividad en Ω-m.

Figura 14


Descarga atmosférica en una torre de transmisión.

Para fines de cálculos, la impedancia característica de la

torre, se usan formulas empíricas. Las representaciones

más comunes de las torres se las muestran en la figura

15.

El valor de la impedancia de la torre (ZT), se calcula en

base a las expresiones anteriores de acuerdo al tipo de

torre.

Resistencia de pie de la torre

Las descargas atmosféricas que inciden en cables de guarda o en las torres, se conducen a tierra a través de la estructura de la torre y la resistencia a pie de torre.

La onda de corriente se debe disipar en el suelo, para esto, se requiere que la resistencia de aterrizamiento tenga un valor bajo. Dicho valor, se obtiene de la combinación de la resistencia del terreno y de los elementos de conexión a tierra de la torre. Estos elementos de conexión a tierra pueden ser varillas o electrodos.

La siguiente expresión determina el valor de la resistencia al pie de la torre para un electrodo enterrado verticalmente:

donde:

ρ= resistividad del terreno (Ω-m)

l= longitud de la varilla (m)

a= radio del electrodo (m)

Longitud de la cadena de aisladores

Esta longitud se calcula con base al voltaje de arqueo en aire entre el conductor y la estructura, el cual depende de la geometría de las puntas en donde se presente dicho arqueo, de forma empírica se ha obtenido el voltaje de arqueo en aire de algunos cuerpos geométricos utilizados como electrodos de referencia.

Con este criterio, de la tensión crítica de flameo para impulsos por rayo, se tiene:

d = TCF/Kco

donde:

TCF: tensión crítica de flameo a las condiciones del lugar donde se localiza la línea

Kco: factor de electrodo en aire kr corregido por la densidad de aire y humedad

El factor Kr es un voltaje de arqueo entre conductores y estructura que depende de la geometría de los electrodos o elementos que intervienen y su distancia en aire tomada de la tabla 2.

EJEMPLO

DATOS DE LA LÍNEA:

Tipo: Doble terna en configuración horizontal.

Longitud: 34 km

Aislamiento: 6 aisladores tipo suspensión en el lago.

Longitud de la cadena de aisladores: 0,95m para 6 aisladores.

Tipo de aislador: Estándar 10”x 5 ¾” (254 mm x146 mm)

CFO = 585 kV para 6 unidades .

Altura del hilode guarda: h= 25,15 m

No. De conductores de Guarda: 2

Separación de los conductores de Guarda: b= 5,06 m

Altura del conductor superior: 23,1 m para una cadena de 6 aisladores.

Altura del conductor inferior: 20,15 m

Tipo de conductor de fase: ASCR, calibre 4/0 AWG, diámetro = 0,563”=0,0143 m

Flecha máxima: 3 m

Altura promedio del conductor superior tomando en cuenta el vano: Yc=21,1 m

TD= 100 días de tormenta al año

Lo resolveremos por el Método de BURGSDORF-KOSTENKO

Primero para este ejemplo tenemos que conocer el número de salidas de la línea de transmisión por descargas, esto viene dado por la ecuación:

donde:

NSF: Número de Salidas/100km/año.

P1: Probabilidad que la corriente del rayo, exceda un valor determinado.

P0: Probabilidad de Falla de apantallamiento.

NS: Número de descargas/100km/año

NS se expresa en función de la densidad de descarga Ng, altura y separación de los conductores de guarda, y viene dado por la siguiente expresión:

donde:

Ng: Densidad de descarga a tierra por km2 al año.

b: Distancia de separación de los cables de guarda (m).

h: Altura de los cables de guarda (m).

El cálculo de la densidad de descargas a tierra se da dela siguiente manera:

Entonces reemplazando los valores de altura, distancia entre hilos de guara y la densidad de descarga, el resultado será:

NS = 251,63 Descargas/100km/año

La probabilidad de falla de apantallamiento del hilo de guarda (P0) se la representa e la siguiente manera:

donde:

h: Altura del conductor de guarda (m).

θ: Angulo de protección en Grados entre la vertical y laZrecta que une la guarda con el conductor, cuyo valor medido es de 35°.

Reemplazando todos los valores nos da quela probabilidad es de: 0.892%

P1, en cambio es la probabilidad que la corriente de rayo exceda un valor

determinado de corriente se la expresa de la siguiente manera:

Para el caso de una corriente de 10kA, se obtiene un valor de P1 de 95%, lo

que significa que existe el 95% de probabilidad que la corriente del rayo

exceda los 10kA, es decir, el 95% de los rayos que caen, son de una

corriente de por lo menos 10kA. Aquí se origina la necesidad, de

determinar el valor de corriente que una vez impactado sobre el conductor,

puede originar Flameo, y es llamada Corriente Crítica de Flameo.

donde:

CFO: Voltaje crítico que produce flameo de sus siglas en ingles “Critical Flash Over”.

Zsurge : Impedancia del conductor ante el frente de onda atmosférico.

El valor de CFO es la tensión crítica de impulso suministrada por el fabricante de aisladores, para nuestro caso en una cadena de 6 aisladores tipo Estándar, es de 585 kV. Zsurge se la haya con la siguiente ecuación:

donde:

h: Altura promedio del conductor bajo estudio (m).

R: Radio del conductor (m).

Rc: Radio por efecto corona del conductor

Realizando los cálculos pertinentes tenemos que el valor de Zsurge es de 553 Ω. Entonces la IC será:

Este valor de Ic= 2,12 kA, tiene una probabilidad de 99,9% de que sea superada por un rayo, por consiguiente, prácticamente cualquier rayo que caiga directamente sobre el conductor ocasionará flameo ó Flashover en la cadena de aisladores.

Con los valores obtenidos, procedemos a calcular el número de salidas de la Línea por fallas de apantallamiento dado por:

NSF= 251,6 Descargas/100km/año*99,9*0,892*10-4 = 2,24 salidas/100km/año

La tasa de salida para la línea de 34 km de longitud, se calcula como:

Ts = NSF* Longitud de la línea

Ts = 2,24 salidas/100km/año*34km= 0,76 salidas/año.

Ahora calcularemos el ángulo efectivo de apantallamiento que hace que la distancia entre PQ sea cero y de esta manera exista un apantallamiento para cualquier tipo de rayo (Figura 16) se lo expresa como:

Entonces la coordenada el hilo de guarda XG esta dada por:

I= 2.12 kA

rc= 10* 2,120,65 = 16,3 m

=14.42m

Entonces reemplazando estos alores en la ecuación de XG se obtiene:

XG = 2,59 m

Remplazamos en la ecuación del ángulo efectivo del hilo de guarda y obtenemos lo siguiente:

El resultado quiere decir que para que no incida los rayos directamente en el conductor y para una corriente de rayo de 2,12 kA el ángulo de protección debe ser negativo. En este caso cualquier rayo menor a 2,12 kA puede caer en el conductor, pero sin riesgo que produzca Flameo en la cadena de aisladores, y cualquier rayo mayor de 2,12 kA caerá en el hilo de guarda ó a tierra, puesto que la ventana de atracción se ha llevado a cero.

CONCLUSIONES

La coordinación de aislamiento es la selección de la tensión soportada normalizada de los equipos teniendo en cuenta las sobretensiones que se pueden presentar, así como los medios de protección que se deben instalar y las condiciones ambientales de la zona, para obtener un riesgo de fallo aceptable.

La coordinación del aislamiento permite encontrar un equilibrio entre la fiabilidad de los materiales, desde el punto de vista dieléctrico.

Aunque los cables de guarda proporcionan total protección a los conductores de fase contra las descargas atmosféricas (descargas directas), ocurren salidas del servicio por flameos inversos que se deben a resistencias de puesta a tierra elevadas. Para vencer esta dificultad surgen dos posibilidades: aumentar el nivel del aislamiento de la línea o disminuir la resistencia de puesta a tierra.

Una selección óptima del aislamiento debe ser hecha comparando dos factores: fallas del apantallamiento y descargas disruptivas inversas. Lo cual conduce a una correcta localización de los cables de guarda y una adecuada selección de la puesta a tierra de las estructuras.

coordinacion de aislamiento contra descargas atmosfericas

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