11. coordinacion aislamiento

Estudio comparativo de fenómenos y

efectos estacionarios y transitorios en líneas

y subestaciones a 230 kV y a 500 kV

Tema 4: Coordinación de aislamiento

Contenido

1. Introducción

2. Descripción de la metodología IEC

3. Selección del pararrayos

4. Determinación de las sobretensiones

5. Cálculo de la soportabilidad

6. Tensión de soportabilidad normalizada

Introducción

�Comprende la selección de la soportabilidad dieléctrica del equipo, en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema�Teniendo en cuenta las características de los dispositivos de protección disponibles�Reducción a un nivel económica y operacionalmente aceptable, la probabilidad de que las sobretensiones impuestas en el equipo causen daño en el aislamiento de éste o afecten la continuidad del servicio�Es aceptable un cierto riesgo de falla, el cual depende de consideraciones económicas y de confiabilidad del servicio

Introducción

Descripción de la metodología IEC

Norma IEC-60071 “Insulation Coordination” parte 1 de 2006, "Definitions, principles and rules" y parte 2 de 1996 “Application guide”

La selección consiste en:

�Escoger el conjunto de tensiones de soportabilidad (Uw) más económico

�Que caracterice la rigidez dieléctrica del aislamiento

�Capaz de resistir las sobretensiones impuestas por el sistema o por las descargas atmosféricas

Descripción de la metodología IEC

Aislamiento externo:Aislamiento externo: Son las Son las superficies del superficies del aislamiento saislamiento sóólido del equipo en contacto con airelido del equipo en contacto con aire, est, estáán n sujetas a los esfuerzos dielsujetas a los esfuerzos dielééctricos y a los efectos ctricos y a los efectos atmosfatmosfééricosricos y otras condiciones externas, tales como y otras condiciones externas, tales como presipresióón atmosfn atmosféérica, contaminacirica, contaminacióón, humedad, etc.n, humedad, etc.

Aislamiento interno:Aislamiento interno: Son las partes internas sSon las partes internas sóólidas, lidas, llííquidas o gaseosas del aislamiento del equipo, las cuales quidas o gaseosas del aislamiento del equipo, las cuales estestáán protegidas de los efectos atmosfn protegidas de los efectos atmosfééricosricos y otras y otras condiciones externas.condiciones externas.

Recierre 3pRecierre 1p

Energización

ESQUEMA GENERAL COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO NORMA IEC 60071HMV Ingenieros - M. Suárez C., E. Betancur E.

Datos S/E, Equipos,

Interruptores

Datos Líneas en S/E,

Vanos, ...

Datos de Tesiones:

Vnom, Vmax equipos

Datos:Otros….

Datos Pararrayos Vnom, NPM, NPR,

Idesc, En (J)

Validación, Trazabilidad de Información

Definción de Tensiones Básicas: Um, Us = Vmax(f-f,f-n), Ups = NPM(f-n), Upl = NPR(f-n)

Us, Ups, Upl

Definción de Tensiones Representativas Urp

Urp a f ind. f0

Urp = KfxUsUrp falla 1φφφφ(f-n)

Urp rech. Carga(f-f)

Urp de frente lento (maniobras)

Uet = 1.25xUe2 - 0.25 (f-n)

Upt = 1.25xUp2 - 0.43 (f-f)Urpcualq. equipo = Ups (f-n)

Urpequip. entrada = 2xUps (f-f)Urpcualq. eq. no a entrada = Upt (f-f)

DIgSILENTATP draw

Estad. Montelli(V. Anexo BIEC 60071-2)

Kfalla 1f

KFerranti

Krech.carga Up2, Ue2

Urp

Definción de Tensiones de Coordinación Ucw

Ucw temporales f0

Ucw = KcxUrpUcw = Urpfalla(f-n)

Ucw = Urprech_carg(f-f)

Kc = 1(V. No. 3.3 y

Anexo HIEC 60071-2)

Ucw frente lento

Ucw = KcdxUrpUcw = KcdxUrpcq.eq.(f-n)

Ucw = KcdxUrpcq.eq.(f-f)

Ucw frente rápido

Ucw = Upl + (A/n)*(L/(Lsp+La))

Upl = NPR(f-n)

A de tabla F2 IEC 60071-2 (V)n = lin. A S/E

L = dist int/ext descarg. (m)Lsp = Vano línea (m)

La = Long. eq. Línea (m)

(V No. 3.3 y Anexo H IEC 60071-2)

Calcule: Ups/Ue2(f-n), 2xUps/Ue2(f-f) todo eq.

Defina Kcd ≥ 1.0 (V. Fig. 6, IEC 60071-2)

Ucw

La = Ra/RkmRa: tasa f/100 años

Rkm: tasa f/100km.año(V. Anexo F,IEC 60071-2)

V int/ext (f-n)

TE

NS

ION

ES

Urp

U

cwU

s U

ps

Up

lD

AT

OS

Cal

culo

s es

pec

iale

s -

No

rma

IEC

60

071

(f-f): fase - fase(f-n): fase - neutroPararrayos o

Descargador

Definción de Soportabilidad Requerida Urw

Urw temporales f0

Urw = KsxKaxUcw(f-n)

Urw = KsxKaxUcw(f-f)

Urw frente lento Urw frente rápido

Urw

SO

PO

RT

AB

ILID

AD

ES

Urw

U

w

Urw = KsxKaxUcw(f-n)

Urw = KsxKaxUcw(f-f) Urw = KsxKaxUcw(f-n,f-f)

Ks int ≈ 1.15, Ks ext ≈ 1.05(igual en f0, fr lnt, fr rap)

(V.No.4.3.4, IEC 60071-2)

Kaf0 = EXP(mf0xH/8150)Kafr lnt = EXP(mflxH/8150)Kafr rap = EXP(mfrxH/8150)

(V. No. 4.2, IEC 60071-2)

m = 1 a f0

m = 1 en fr. rápidom = f(Ucw) en fr. lento,(V. Fig 9, IEC 60071-2)

Definción de Soportabilidad Normalizada Uw(c) = f(SDW, LIW)xUrw

Uw temporales f0 Uw frente lento Uw frente rápido

Uw(s) = Urw(f-n)

Uw(s) = Ucw(f-f)

Uw(c) = f(SDW)xUrw(fr.l.f-n)

Uw(c) = f(SDW)xUcw(fr.l.f-f)

Uw(s) = Urw(fr.l.f-n)

Uw(s) = Ucw(fr.l.f-f)

Uw(s) = Urw(f-n, f-f)

Uw(c) = f(LIW)xUrw(fr.l.f-n)

Uw(c) = f(LIW)xUcw(fr.l.f-f)

f(SDW) fr.lto a f0:Aislamiento externo:

f-n, => 0,6+Urw(fr.l.f-n)/8500f-f, => 0,6+Urw(fr.l.f-n)/12700

Aislamiento interno:f(SDW) fr.lto a f0 = 0,5(V. Tabla 2, IEC 60071-2)

f(LIW) fr.lto a fr.rap:Aislamiento externo:

f-n, => 1,05+Urw(fr.l.f-n)/6000f-f, => 1,05+Urw(fr.l.f-n)/9000

Aislamiento interno:f(LIW) fr.lto a fr.rap = 1,0 … 1,1

(V. Tabla 2, IEC 60071-2)

Uw(s) Uw(c)

(s): sin convertir(c): convertida con

f(SDW,LIW)

(s): sin convertir(c): convertida con

f(SDW,LIW)

REPORTE de Uw(s), Uw(c)

DIgSILENTATP draw

Estad. Montelli(V. Anexo DIEC 60071-2)

≤ 245 kV,Rango I

NPM - Tensión residual al impulso-maniobraNPR - Tensión residual al impulso-rayo

Selección del pararrayos

Procedimiento para definir los parProcedimiento para definir los paráámetros del metros del pararrayos de pararrayos de ZnoZno: :

––TensiTensióón continua de operacin continua de operacióón, n, COVCOV. (. (conexiconexióón n fasefase--tierratierra))

––SobretensiSobretensióón temporal, TOVn temporal, TOV

TOV=COV* TOV=COV* KeKe

COV=COV=UmUm√√33

Um Um corresponde a la corresponde a la mmááxima tensixima tensióón del equipon del equipo

KeKe es el factor de tierra, el cual es es el factor de tierra, el cual es de 1,4 para sistemas solidamente de 1,4 para sistemas solidamente puestos a tierra y 1,73 para puestos a tierra y 1,73 para sistemas con neutro aisladosistemas con neutro aislado


La tensión nominal del descargador de sobretensiones, R, es el mayor valor entre Ro y Re

Ro=Ro=COVCOVKo

KoKo es el factor de disees el factor de diseñño del descargador o del descargador de sobretensiones, el cual varde sobretensiones, el cual varíía sega segúún el n el fabricante. Un valor tfabricante. Un valor tíípico es 0,8pico es 0,8

KtKt es la capacidad del descargador y depende es la capacidad del descargador y depende del tiempo de duracidel tiempo de duracióón de la sobretensin de la sobretensióón n temporal. Astemporal. Asíí, para un segundo, , para un segundo, KtKt == 1,151,15; ; para 10para 10 segundossegundos, , KtKt == 1,061,06 y para dos horas, y para dos horas, KtKt == 0,950,95 (valores aproximados)(valores aproximados)

Re=Re=TOVTOVKt


Para sistemas con neutro rPara sistemas con neutro ríígido a tierra es habitual una gido a tierra es habitual una duraciduracióón mn mááxima de falta a tierra de 1 segundo (tiempo xima de falta a tierra de 1 segundo (tiempo mmááximo considerado para despejar una falta por parte de las ximo considerado para despejar una falta por parte de las protecciones convencionales)protecciones convencionales)

Para sistemas no rPara sistemas no ríígidos a tierra el tiempo de despeje de una gidos a tierra el tiempo de despeje de una falta en este tipo de sistemas suele estar ajustado entre 1 y 1falta en este tipo de sistemas suele estar ajustado entre 1 y 10 0 segundos (en funcisegundos (en funcióón de las corrientes de cortocircuito que n de las corrientes de cortocircuito que puedan aparecer)puedan aparecer)

Se puede prever un margen extra de 10% para sistemas con Se puede prever un margen extra de 10% para sistemas con tensiones inferiores a 100tensiones inferiores a 100 kVkV y 5% para sistemas con tensiones y 5% para sistemas con tensiones mayores de 100mayores de 100 kVkV, encontr, encontráándose asndose asíí la tensila tensióón n nominal del descargador de sobretensiones nominal del descargador de sobretensiones RR

Determinación de las sobretensiones

Tensión máxima asignada del sistema (Us): la máxima tensión de operación que se puede presentar durante operación normal en cualquier momento y en cualquier punto del sistema

La tensión Um se encuentra en la tabla 2 y tabla 3 de la norma IEC-60071-2006

Us=Um Um: tensión máxima de los equipos


Simulaciones digitales: para la obtención de las sobretensiones es recomendable hacer simulaciones digitales de los diferentes fenómeno�Software ATP y su interfaz gráfica para realizar las simulaciones

�Los estudios se efectúan con énfasis la subestación en estudio, considerado las líneas de transmisión asociadas a ella y todos los elementos que según la topología se deban consideraren el análisis


Metodología de cálculo de sobretensiones en las

simulaciones: Para cada uno de los tipos de sobretensiones es necesario simular los fenómenos que las producen

� Sobretensiones temporales�Falla monofásica en barras

�Rechazo de carga (efecto Ferranti)

� Sobretensiones de maniobra (frente lento)�Energización de líneas y transformadores

�Recierre tripolar y monopolar (arco secundario)

�Tensión transitoria de recuperación


Tensiones representativas (Urp): se calculan con ondas normalizadas para condiciones operativas temporales a frecuencia nominal, de maniobra (frente lento) o atmosféricas (frente rápido)�Para sobretensiones de maniobra se debe estimar el valor de truncamiento de la distribución de probabilidad a partir del valor de la sobretensión del 98% encontrada en los estudios del sistema (Ue2: sobretensión fase−tierra y Up2: sobretensión fase−fase). En adelante se definirá como sobretensión del 98%


Con los resultados de las anteriores expresiones, las tensiones Urp de frente lento son:

Urp f-n = Ups = NPM del descargador.

Urp f-f = Upt.

Para equipos que no se protegen con descargadores de

sobretensión, las sobretensiones máximas representativas son

iguales al valor de truncamiento Uet (fase−tierra) y al Upt

(fase−fase)


Tensiones de coordinación:

Ucw: valor de la tensión soportada por la configuración de aislamiento en condiciones reales de servicio.

Urp Ucw

Ucw Frente lento

Sobretensiones temporales

Frente rápido

Kc


Para sobretensiones temporales (fase−tierra y fase−fase), Kc = 1

Para sobretensiones de frente lento se utiliza la siguiente figura

(a) Factor de coordinación para obtener la tensión de coordinación soportada fase – tierra

(b) Factor de coordinación para obtener la tensión de coordinación soportada fase – fase


Para sobretensiones de frente rápido

asp

plCW

LL

L

n

AUU

+⋅+=

Upl: Nivel de protección al rayo del descargador.A: Factor para líneas aéreas de transmisiónn: Mínima cantidad de líneas conectadas a la

subestaciónL: Distancia máxima desde los descargadores al

último equipo protegidoLsp: Longitud del vano de línea (desde la

subestación hasta la primera torre de retención

Ra: Tasa de fallas aceptable de equipos de subestación

Rkm: Índice de falla en el primer kilómetro de la línea.

La: Longitud equivalente de línea = Ra / Rkm

Cálculo probabilístico de sobretensiones

El factor para líneas aéreas de transmisión (A)

Para el número mínimo de líneas en servicio conectadas a la subestación (n) se recomienda un valor de n = 1 o n = 2 . Para obtener resultados conservativos se considera n = 1

Tipo de Línea A [kV]

Líneas de distribución

Con crucetas puestas a tierra 900

En postería de madera 2700

Líneas de transmisión

Un solo conductor por fase. 4500

Con Haz de dos conductores por fase 7000

Con Haz de cuatro conductores por fase 11000

Con Haz de seis a ocho conductores por fase 17000

Cálculo probabilístico de sobretensiones

La distancia máxima (L) desde los descargadores de sobretensión hasta el último equipo protegido se calcula de acuerdo con la figura

L = a1+a2+a3+a4. (Distancia máxima desde el descargador al último equipo protegido).a1: longitud del conductor de conexión entre el descargador y la línea.a2: longitud del conductor de conexión entre el descargador y la malla de puesta a tierra.a3: longitud del conductor de fase entre el descargador y el equipo protegido.a4: longitud de la parte activa del descargador

Cálculo de la soportabilidad

Tensión de soportabilidad requerida (Urw):

Tensión de prueba que el aislamiento de la S/E debe soportar, garantizando que el aislamiento cumple el criterio de buen desempeño cuando estásometido a sobretensiones en condiciones reales de servicio y para todo el tiempo de servicio

Urw = Ks x Ka x UcwKs : factor de seguridad

Ka corrección por altura


Siguiendo la recomendación Ks toma los siguientes valores para sobretensiones temporales, de frente lento y de frente rápido

Para el cálculo de Ka se presenta la siguiente fórmula para la determinación del factor de corrección atmosférica. Esta recomendación advierte que las curvas que presenta para determinar el factor m, basadas en la recomendación IEC 60060-1, son obtenidas de medidas experimentales realizadas para alturas hasta de 2000 m

Aislamiento interno: Ks = 1,15

Aislamiento externo: Ks = 1,05


�H: altura (m.s.n.m.). La corrección es necesaria para todas las instalaciones, aún para las ubicadas por debajo de 1000 m.s.n.m, para las cuales la corrección debe hacerse con H = 1000.

El valor m se calcula de la siguiente manera:�Para soportabilidad a frecuencia industrial de corta duración: m = 1,00

�Para soportabilidad al impulso atmosférico: m = 1,00.

�Para sobretensiones de frente lento, m se lee de la siguiente figura

ea

K

Hm

=

8150


(a) aislamiento fase a tierra (b) aislamiento longitudinal

(c) aislamiento fase – fase (d) gaps de varilla - lámina


Finalmente los valores de tensiones de soportabilidad, Obtenidos después de ser considerada la corrección por altura,

se calculan así:

Aislamiento externo: Urw= Ucw x Ks x Ka

Aislamiento interno: Urw= Ucw x Ks


Valores de tensión de soportabilidad convertida Uw(c)

Los valores de soportabilidad requerida se complementan con los valores de tensión de soportabilidad convertida Uw(c), utilizando factores de conversión para Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV) y Rango II (Um > 245 kV)

�En el Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV), la tensión de soportabilidad normalizada Urw al impulso atmosférico y a frecuencia industrial debe cubrir la tensión de soportabilidad requerida a impulsos de maniobra

�En el Rango II (Um > 245 kV), la tensión de soportabilidad normalizada al impulso de maniobra debe cubrir la tensión de soportabilidad requerida a frecuencia industrial


Se calcula la tensión de soportabilidad convertida Uw(c), utilizando factores de conversión para Rango I y Rango II:

�Para equipos pertenecientes al Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV), a partir de las tensiones de frente lento, se calculan las tensiones convertidas Uw(c) de frecuencia industrial y de frente rápido.

�Para equipos pertenecientes al Rango II (Um > 245 kV), a partir de las tensiones de frecuencia industrial, se calculan las tensiones convertidas Uw(c) de frente lento.


La tabla proporciona los factores de conversión SDW y LIW que deben aplicarse a la tensión de soportabilidad de frente lento para convertirlos en soportabilidades a frecuencia industrial y de frente rápido

Aislamiento SDW LIW

Aislamiento externo

- Fase-tierra

- Fase-fase

Aislamiento interno:

- GIS

- Aislamiento inmerso en líquido

- Aislamiento sólido

0,6+Urw / 8500

0,6+Urw / 12700

0,7

0,5

0,5

1,05+Urw /6000

1,05+Urw /9000

1,25

1,10

1,00


La tabla proporciona los factores de conversión SIW que deben aplicarse a la tensión de soportabilidad de frecuencia industrial para convertirlos en soportabilidadesde frente lento

Aislamiento SIW

Aislamiento externo

- Aislamiento limpio, húmedo

Aislamiento interno:

- GIS

- Aislamiento inmerso en líquido

- Aislamiento sólido

1,7

1,6

2,3

2,0

Tensión de soportabilidad normalizada

La tensión de soportabilidad normalizada, Uw es el valor final normalizado asignado para el aislamiento del equipo de la subestación estudiada y garantiza que el aislamiento cumple con todas las tensiones de soportabilidad requeridas

�Para equipos en Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV) se define la tensión de soportabilidad a frecuencia industrial y al impulso de frente rápido (atmosférico)

�Para equipos en Rango II (Um > 245 kV) se define la tensión de soportabilidad al impulso de frente lento (maniobra) y al impulso de frente rápido (atmosférico)

Distancias mínimas de separación

Distancias mínimas de separación requeridas en el aire (fase−tierra y fase−fase) de acuerdo con la tensión de soportabilidad normalizada al

impulso atmosférico para subestaciones con equipos en Rango I (1 kV < Um ≤ 245 kV)

Distancias normalizadas

Distancias mínimas de separación

Distancias mínimas de separación requeridas en el aire (fase−tierra y fase−fase) de acuerdo con la tensión de soportabilidad normalizada al

impulso de maniobra para subestaciones con equipos en Rango II (Um > 245 kV)

Distancias normalizadas

11. coordinacion aislamiento

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