55502462 puestas a tierra cip 27-04-11 uni fiee

PUESTAS A TIERRA DE RESPUESTADINAMICA PARA CORRIENTES DE RAYO

ING. JUSTO YANQUE MONTUFAR, M.SC.APP.Ciudad de Lima, 25-27 de Abril del 2011

SIMPOSIUM INTERNACIONALIngeniería de Sistemas de Transmisión en 500 kV

E-mail: [email protected] Lima, Abril del Año 2011

DESARROLLO1. UBICACIÓN DEL TEMA DE (PAT) EN (LT)2. AISLAMIENTO DE LINEAS ELECTRICAS (LT)3. DESCARGAS ATMOSFERICAS POR RAYO4. IMPEDANCIAS DEL CONDUCTOR Y TORRES5. PUESTAS A TIERRA DE CONCEPTO GENERAL6. PUESTAS A TIERRA DE RESPUESTA DINAMICA


1. UBICACIÓN DEL TEMA DE (PAT) EN (LT)1.1. Contexto de Ubicación del Tema

a. Conductores (LT) se Aíslan entre sí y con respecto de Tierra b. La ruta de las (LT) sufre incidencia de Descargas Atmosféricas c. Los Rayos que llegan a la (LT), ocasionan falla del Aislamientod. Las fallas originan indeseadas Subtensiones o Desconexionese. La confiabilidad de las (LT) radica en las PAT de sus Soportes


1.2. Fallas del Aislamiento por Rayo, LT

• Se originan por Sobretensiones debidas a Rayo, Directo, Indirecto• El aislamiento, Cadenas o Brechas de Aire, sufre Disrupción (µs)• El Arco Eléctrico, une durante (µs) al Conductor con Masa+Suelo • La Corriente FI del Conductor, toma esa misma vía para su retorno • La Protección de la Línea, manda Reconexión o/y Desconexión

Rayo

IR UR

USI

(UBIL)

Contorneo

(UR > USI)

URC

Onda Cortada

(continua)

Sobretensión

de Rayo (incidente)


1.3. Relación de una LT con Tierra

• Toda instalación eléctrica está referida al Potencial de la Tierra• Las d.d.p. entre Fases(Vfase) y a Tierra(Vref.) crean Capacitancias• Relación Indirecta por Capacitancias Parásitas es variable (flota)• Relación Directa es fija, si se añade la conexión del Neutro a Tierra• A un Plano de la Tierra se otorga el Potencial de Referencia (V=0)


1.4. Desempeño Referencial Tierra-Suelo

• El Suelo está formado por sustancias básicamente Dieléctricas• Los Potenciales de la Tierra, se ordenan en Planos del Suelo• Toda Corriente inyectada al suelo crea un Potencial (Absoluto)• Lejos de dicho punto, el Potencial Remoto se hace (V=0) • El suelo, mal conductor eléctrico, debe conducir Corrientes

I

C

r

dr p

r

r

221r

J

222 r

I E ,

r I

V


1.5. Suelo debe Conducir Grandes Corrientes

• La Carga del Rayo en forma de corriente, utiliza el suelo por (µs)• La Corriente de (FI) de una falla, solo tiene al Suelo para Retornar• Si el suelo en el pié de Torre no conduce, permanecen Arco+Falla • La Protección por Relés no opera, ocurre fusión+caída Conductor• Solo una PAT facilita la Conducción del Suelo y permite el Control


1.6. Cómo Opera la PAT de una LT

• Es una instalación que conecta a la Línea con la Referencia (V=0)• Provee Potencial (V=0) en cada Torre, lugar susceptible de Falla• Funciona como Sumidero Infinito de Carga, no adquiere Potencial• Dispersa en el suelo, las Corrientes de Operación, Rayo, Falla etc. • Es una Impedancia en la que predomina la componente Resistiva

V = 0

Suelo


2. AISLAMIENTO DE LINEAS ELECTRICAS LT2.1. Son Aislamientos Externos

• Su Diseño sigue Recomendaciones de Stds.IEC-60071, IEC-815• El Sostenimiento es con Cadenas de Aisladores y Brechas de Aire• Aplica la Tabla de NBA (FI, TIR, TIM), y niveles de Contaminación• Para (LT)EAT solicitaciones de Tensión más importantes,TIM, TIR • El Aislamiento a condiciones del sitio se corrige, Ley de Paschen

Tensión Máx. del Aislamiento Um, (KV rms)

Tensión de Sostenimiento a Impulsos de Maniobra Tensión de Sostenimiento

Pruebas TI (Rayo), KVc (cresta)

Aislamiento Longitudinal KVc (cresta)

Aplicación Fase – Tierra KVc (cresta)

Entre Fases (Relación a Vc Fase – Tierra)

420

850 850 1.60 1050 1175

950 950 1.50 1175 1300

950 1050 1.50 1300 1425

525

950 950 1.70 1175 1300

950 1050 1.60 1300 1425

950 1175 1.50 1425 1550


2.2. Aislamientos por Cadenas de Aisladores

• Se basa en el NBA-Maniobra y la asignación de Líneas de Fuga• Debe sostener el NBA-Rayo y Tensiones de Impulso Tipo Rayo• La geometría de Aisladores obedece al nivel de Contaminación• La adopción del Dieléctrico obedece a su mayor durabilidad• Se incluyen herrajes de Normalización del Campo Eléctrico


2.3. Aislamiento por Brecha de Aire

• Se basa en Intervalos Mínimos de aire entre Conductor-Masa• Las Brechas aseguran que no ocurra Falla a FI o TI por el Aire• Se analizan con las Características Tensión(V50%)-Tiempo(µs)• La Brecha de Aire de una Cadena es su Línea de Escurrimiento• Los Intervalos de aire entre conductores fijan su Acoplamiento

+-

U50%

%

U


2.4. Sostenimiento del Aislamiento Conjunto

• Debe sostener la Tensión de Impulso Tipo Rayo, Normalizada• El sostenimiento es sensible a la Forma de la Onda de Impulso• La Tensión Disruptiva no es Constante, depende del Tiempo• A mayor Tensión Aplicada, menor Tiempo a la Disrupción• La Línea de Fuga no participa si la Tensión es Impulso Tipo Rayo

Tensión

Disruptiva

Tiempo

En el Frente

En la Cresta

En la Cola

En el Pico

STR

STRSTM

STT

10-6 10-3 1 103 106

(1s) (1ms) (1s) (1min)

CaracterísticasTensión – Tiempo


2.5. Falla del Aislamiento de la (LT)

• La Tensión Crítica Disruptiva (TCD) es menor que Tensión (NBA) • Ellas tienen una de probabilidad de Disrupción del 50% y del 10% • La falla por Contorneo es un evento estadístico, se Autorregenera• Impulsos con menor Tensión que (NBA) ocasionan menos fallas• Disrupción ocurre por Intervalo más Corto, Aire, no el Dieléctrico

+U50%1.3-

90 %

U90% (CEI)

50 %

Tensión

Aplicada

UBIL

UCDA

%50%90S

RS%50%90S

U961.0U

K1UU

%50

SS%50%90S U

K1UU


3. DESCARGAS ATMOSFERICAS POR RAYO3.1. El Mecanismo del Rayo

• El Campo (E) Ionósfera-Tierra propicia la Carga de las Nubes • El Rayo surge de un Centro de Carga y progresa pasando a otros • Desde un punto cargado del suelo emerge la Descarga de Captura • Al encontrarse en el aire, se cumple la Neutralización de Cargas• El Canal de Plasma permite el paso de Descargas Secundarias

Turbulencia Atmosférica

Nubosidad de Amplia Cobertura

Territorial

Acoplamiento Capacitivo con el Suelo

Rayos con Descargas

Secundarias

Recomposición del Esquema de Acoplamiento

U

C

C1 UC

Línea Eléctrica

Dispersión de Corrientes de Compensación de Carga


3.2. Amplitudes de Corriente de Rayo

• En el Perú la Característica Log-Normal se quiebra en 25kA (70%)• Ocasionan falla Directa Corrientes (<25kA) y falla Inversa (>25kA) • Ambos rangos de Corriente requieren Apantallado por Cable de G.• Hacia la Línea Ecuatorial, más Rayos (-) superan el 90% a 95%• La tendencia del valor medio de la Corriente, alcanza 43kA (50%)

40.00

10.00

30.00

1.00

50.00

20.00

2.00

10 20 50 100

200

15 150

30 40

60.0.6

0

90.00

80.00

98.00

70.00

95.0

99.00

99.50

99.80

IR (kA)

% Prob

5 3 4

(b)

(a)

2

(a) Perú Foust, Maine, Lee (b) IEEE

2R

IR

25

I1

1P


3.3. Parámetros de la Onda de Choque

• Magnitud de la Corriente (IR) Pico de la Onda y duración al 90%• Tiempo al Pico de Onda y Tasa de crecimiento del Frente (IR/µs)• Forma de la Onda unipolar (1,2/50µs) y Carga total Involucrada • Tolerancias 3% Cresta y 20/30%, compatible con ANSI(1,5/40µs)• Uso, pruebas de Sostenimiento Estandarizado del Aislamiento

tc

tf

Frente

Cola

Onda IEC (1.2 /50 s)

ANSI (1.5 /40 s)100 s,

IR = 0

Tiempo ColaTiempoFrente

0.9

0.3

0.5

0

tcr

1.0Cresta

p.u.V

s


3.4. Rayo que Recibe la Línea (LT)

• Rayo; generador de Corriente con un Canal de gran Impedancia• Inyecta elevada Corriente en el punto de llegada, produce la (STR) • Origina Gradientes disruptivos (550kV/m) en las brechas de Aire• Origina E.Corona en torno al Conductor-Incrementa el Diámetro• Si la Tensión resultante (STR) supera el (NBA) o la (TSI), hay falla

RayoIR

Conductor Z0

UR

URI URI

URI URI

2UR


3.5. Gráfico Tasa de Crecimiento (kA/µs)

• Fallas dependen de Amplitud (kA) y Tasa de Crecimiento (kA/µs)• La (IR) crea Tensión de Oposición en la Inductancia Equiv. (Torre) • Gran Tasa (kA/µs), ocasiona grandes Tensiones en las Ménsulas• La máxima (kA/µs) no es simultánea con la máxima (IR)• Para los cálculos se utiliza Frente de Onda Lineal, lento o rápido

40.00

10.00

30.00

1.00

5.00

50.00

20.00

2.00

0.50 0.20

10 20 50 100 15 30 40

60.0.6

0

90.00

80.00

98.00

70.00

95.0

99.00

99.50

99.80

4R

CF

24

dt/dI1

1P

kA/µs

(kA/s)

% Prob.

EPRI 5 4 3

(EDF)


3.6. Carga Total Entregada por el Rayo

• La mayor Carga se libera después de la Cresta de la Onda (IR)• Ocasiona picaduras, quemaduras, determina la Energía del (PRR) • En la Cola de la Onda fluye también (mA) de una pequeña (Icd)• Más Carga proviene de esta (Icd) que de la Corriente del Rayo• Los Rayos(+) entregan (≈10) veces más de Carga que Rayos(-)

40.00

10.00

30.00

1.00

50.00

20.00

2.00

0.50

0.20

60.0.6

0

90.00

80.00

98.00

70.00

95.0

99.00

99.50

99.80

% Prob

C

0,1 1 10 100 1000

Carga Eléctrica50%: 3.5 Coulombs50%: 3.5 CoulombsTd > 30 días

Univ. NAGOYA


3.7. Efectos Dir./Ind. del Rayo y Parámetros

• Interrupción Prolongada, Desconexión• Interrupción Instantánea, Reconexión• Subtensiones o Huecos de Tensión• Contorneo de Aislamientos sólidos• Daños por Escamadura superficial• Perforación de Aislamientos sólidos• Disrupción de Aislamientos Gaseosos• Rotura de hebras de Conductores, CG.• Ondas viajeras que llegan a las SSEE• Conducción de Corriente FI por el arco• Fallas por Tensión Inducida, BT y Elec.• Disfunciones en equipo Electrónico• Potenciales en superficie del suelo


4. IMPEDANCIAS DEL CONDUCTOR Y TORRES4.1. La Impedancia de Onda del Conductor

• La formación de los Conductores da su Impedancia de Onda (Zo)• La (Zo) y la (IR) determinan la Sobretensión (UR), que está en fase• Su Resistencia se ignora, frente a las distorsiones por E.Corona• La Corona incrementa las Capacitancias parásitas distribuidas• La Alta Frecuencia del Rayo ocasiona Efecto Skin, Resistencia


4.2. Propagación de las Ondas de (IR) Rayo

• Los parámetros distribuidos imponen un Tiempo de Propagación• La velocidad es la de la Luz, se retarda por presencia de Corona• La (Zo) es Resistiva, función de la (L) y (C) por unidad de Longit.• La (Zo) está relacionada con (V) del conductor que recibe la (STR) • Un cambio geométrico del conductor, cambia (Zo,V,I), F.Reflexión

Rayo

IR UR

USI

(UBIL)

Sostenimiento

(UR < USI)

UR

Onda Plena

(continua)

Sobretensión

de Rayo (incidente)


4.3. Geometría de la Torre Reticulada

• Su Altura determina el Tiempo de Propagación (T>tf) de la onda• Ondas toman distintos caminos del reticulado, dificultan hallar (T)• La (Zo) de la Torre se comporta como función de Transferencia• Su geometría, armado determinan la evolución de la Tensión (STR)• Típicamente Torres (Zo≈150Ω), (L≈1µH/m); bajadas(L≈1,65µH/m)

G G G+q


4.4. Rayo Directo a la Línea de Transmisión

• Rayos de baja corriente (<20kA) burlan apantallado por encima• Rayos de gran corriente (>20kA) llegan al conductor lateralmente• Rayos diversos llegan en mayoría a las Torres con o sin (CG)• Eficacia de apantallado con Cables de Guarda o Tierra no es total• El aislamiento (EAT) solo permite Corrientes Criticas (IC) mayores


5. PUESTAS A TIERRA DE CONCEPTO GENERAL5.1. Funciones de las (PAT-LT)

• Dispersa Corrientes de (FI) y de Rayo que bajan por el Soporte• Propician el Retorno de las Corrientes (FI, IR) a sus fuentes• Provee el Potencial de Referencia (V=0), tiene Impedancia propia• Elimina la d.d.p. entre el Falso Neutro y la Tierra Remota (V=0)• Protege indirectamente Aislamientos sólidos locales y Remotos• Por Diseño, protege a las personas en el pié de los Soportes

Flujo deCorrienteCascos

Equipotenciales

pC

I = 1A

rrdr

r


5.2. Composición Eléctrica de una (PAT-LT)

• Es un Armado Mixto de Electrodos Filiformes, Varillas y Planos • En su Impedancia predomina la componente Resistiva (Suelo)• La longitud de los conductores (4-5µH/m) fija su Inductancia • La forma y superficie dispersora del armado da la Capacitancia• Con corrientes de (FI) predomina su comportamiento Resistivo• Con corrientes de (AF) predomina su comportamiento Reactivo

L C

R


5.3. Comportamiento Eléctrico del Suelo Medio

• Su Resistividad (ρ) varia ampliamente entre 200-1500 Ω.m• Su densidad normal de Corriente (J), varía entre 700-100A/m2 • Su Gradiente Crítico de Ionización (Eo) varía entre 250-400kV/m • Su Permitividad Relativa (εr) es alta, varía entre 10-40pF/m• La Onda en un conductor enterrado se propaga de 150-100m/µs• Si (E>Eo) hay falla disruptiva y reduce su Resistencia instantánea• Es un Dieléctrico con pérdidas, no se conoce su (t) de Ionización


5.4. Significado de Tiempos de Onda IR en PAT

• Ondas de Rayo y Maniobra son Impulsos Transitorios oscilatorios• Los transitorios oscilan con Media (MF) y Alta Frecuencia (AF)• La (AF) se asocia al (tf) Frente de Onda y fenómenos Inductivos• El tiempo de ascenso (tf) al Pico, determina la Falla Aislamiento • La (MF) se asocia al (tc) Cola de Onda y a la entrega de Energía• La Carga entregada define la Energía que deriva un Pararrayos

t

V

FallaAislador

(perforación)

Onda de Frente Rápido

FallaBrecha

(contorneo)

Onda deFrente Lento

Aisladores

Aire

1 10 100


5.5. Funcionamiento Dinámico de una (PAT)

• A mayor Densidad de Rayos a Tierra, se requiere menor (RPT)• La (ρ) del Suelo da la (RPT) y la Resistencia de Dispersión (RD)• La Resistencia propia del suelo, no es lineal cambia al pasar (IR)• La (RPT) tiene un valor constante cuando circula corriente (FI)• La Ionización del suelo (E<Eo) aumenta la sección del dispersor • La (RD) tiene menores valores según (IR), por ionización suelo • A mayor corriente de Rayo (IR), menor Resistencia de Dispersión• Una (RPT) grande produce un Factor de Falla a Tierra alto• La componente Resistiva de valor Transitorio, difícil de calcular

Sigue …


… Continua

• La Alta Frecuencia del Rayo, incrementa la Reactancia Inductiva • La caída de Tensión Inductiva (USTR=L.di/dt), no es controlable • La componente Inductiva y alta Tasa (kA/µs) da elevadas (STR)• Una Onda de (IR) activa solo poca longitud de conductor (≈50m)• La onda de Tensión incidente en la (PAT), se Refleja en el suelo• La conducción Capacitiva inicial, disminuye la Carga Reflejada• La pérdida de la Carga en la (PAT) se debe al suelo conductivo • La onda de Tensión reflejada, sube por la Torre ya Atenuada • La s (PAT) de Respuesta Dinamica aprovechan este fenómeno

5.5. Funcionamiento Dinámico de una (PAT)


5.6. Criterios para Puestas a Tierra de Rayo

• Debe proveer Baja Impedancia con baja o Mínima Resistencia• La Capacitancia controla las componentes de (AF) durante (tf)• La Inductancia controla cambios rápidos de la corriente a Tierra• Si no se atenúa el efecto Inductivo la (STR), puede ser grande• Usar conductores de mínima longitud y de gran superficie • La interface electrodo-suelo debe ser de mínima Resistencia

req

0.55m

H

rr

h


6. PAT DE RESPUESTA DINAMICA6.1. Criterios del Contexto de Fallas por Rayo

• Efecto de Protuberancia de Torres altas atrae Rayos Mayores• La Tasa inicial de Desconexiones/100km/Año, debe ser (<0,5)• La llegada del Rayo la define la Susceptibilidad de la ubicación • Ángulos de protección pequeños o negativos son muy costosos

7

6

5

4

3

2

1

0

-10° 0° 10° 20° 30° 40°

Número de Desc./100km/Año

q

Líneas de 220 kV

Líneas de

400 kV

h = 51 m

h = 41 m

h = 33 m

h = 25 m

A&W

7

6

5

4

3

2

1

0

-10° 0° 10° 20° 30° 40°


q

UBIL (kVc)

950-1050

UBIL (kVc)

1450-1600

h = 46 m

h = 37 m

h = 30 mh = 23 m


6. PAT DE RESPUESTA DINAMICA6.1. Criterios del Contexto de Fallas por Rayo

• Aun así el CG no asegura 100% apantallado, Rayos (IR<20kA)• El N° de fallas se relaciona con la Densidad de Rayos a Tierra • Fallas por Rayo al Conductor: fugaces, Recierre, Desconexión • Fallas por Rayo a la Torre, dependen de la Corriente Critica

7

6

5

4

3

2

1

0

-10° 0° 10° 20° 30° 40°


q

Líneas de 220 kV

Líneas de

400 kV

h = 51 m

h = 41 m

h = 33 m

h = 25 m

A&W

7

6

5

4

3

2

1

0

-10° 0° 10° 20° 30° 40°


q

UBIL (kVc)

950-1050

UBIL (kVc)

1450-1600

h = 46 m

h = 37 m

h = 30 mh = 23 m


6.2. Criterios para el Diseño

• Se requiere mínima Resistencias de (PAT) con mínima Inductancia• La alta Inductancia de las Torres es inevitable, por su gran tamaño • La Inductancia del armado (PAT) se puede minimizar por diseño• La Capacitancia del armado (PAT) se puede maximiza por diseño• Rayos al Soporte; 55% sin (CG), 35% con 1 (CG), 20% con 2 (CG) • (RPT<25Ω), solo en Soportes con Susceptibilidad inferida in situ


6.3. Criterios de Conformación Básica

• Los contrapesos filiformes largos (>50m) quedan excluidos• Se utilizan electrodos Laminares de gran superficie o tipo Grilla • Se acondiciona el suelo con reserva salina y un lecho conductor• En suelos trabajables, se utiliza Rellenos conductivos Blandos• En suelos de roca, se utiliza Rellenos conductivos Fraguables• Se usa Relleno de Cobertura o de Tapado conductivo de acabado


6.4. Previsión de la Respuesta Dinámica

• Los electrodos Planos tipo Grilla, solos no siempre dan baja (RPT)• Se integran a la instalación existente o arman con otros electrodos • Se utiliza soldado exotérmico con resane y masillado zona afectada• Se utilizan electrodos de Acero con superficie de Cobre depositado • Algunas veces el suelo merece impregnación y sellado intersticial• Prever reemplazo, material de fondo de zanja de suelos de alta (ρ)

Electrodo Virtual

εr ≈ 50

A

E ≈ 400 kV/m

B

d

Electrodo Real


6.5. Armado de Electrodos Planos Grilla

• Para lugares con acceso vehicular, con suelo llano y Trabajable• Se prevé la excavación de un Pozo Plano según tipo de suelo • Se prepara el fondo de Pozo con las aplicaciones necesarias • Se aplica Relleno Conductivo Blando con 15-20cm de espesor • Dimensiones típicas de cada panel (5,5mx1,2m), o equivalente • Se arman junto con otros electrodos largos laminares, filiformes


6.6. Armado de Electrodos Planos Filiformes

• Para lugares agrestes de suelo irregular y sin acceso vehicular • Se utilizan sobre roca monolítica o base de roca no fracmentada• Se prevé piqueteado de surcos (3-5cm) para tender el conductor• Se utiliza Relleno Conductivo Fraguable extendido (1cm espesor)• Dimensiones típicas de cada panel (5,5mx1,2m), o equivalente • Se arman junto con otros electrodos filiformes longitudinales


6.7. Acabados y Mantenimiento

• Tierra de procedencia externa no debe ser de Cultivo o Chacra• Se prevé cobertura de Tapado y de Acabado para intemperie• Tapado con material selecto del sitio aumenta espesor conductor• Acabado con material común de la excavación evita la erosión • Ambas coberturas aseguran la conservación natural por lluvia• Examen de electrodos anual por muestreo, previa Medida (RPT)


PUESTAS A TIERRA DE RESPUESTADINAMICA PARA CORRIENTES DE RAYO

Fin - Muchas Gracias


Mapamundi: Densidad de Rayos a Tierra


Expresiones para calcular

• Electrodo laminar longitudinal Ancho(w), Prof. (H)

• Electrodo plano tipo grillaLargo (A), Ancho (B)

• Capacitancia del Electrodo Superficie (S), Espesor diel (d)

• Deslizamiento de Carga Gradiente Critico (E)

Puntos Concaten

ados

PilotowH

L Log

L,R

2

732

BAR

8.0

d

SC r0

ED r0


Expresiones para calcular

• Capacitancia de la PAT

C = 75,94x10-12 F = 75,94 pFD = εo εr E = 8,86x10-12x50x1200

D = 531600x10-12 = 0,5316x10-6

Q = D.S = 0,5316x10-6x1,2x5Q = 3,1896x10-6 C

• Coeficiente de pérdida

• Carga Dispersable

35

5x2,1x50x10x86,8

d

S..C

12r0

56

10)PATladesistencia(Re10

)odielectricdelsistencia(Re10k

C10x56248,210x10

10x256248,0

k

Q´Q 6

5n

n Como Q > Q’n (3,18 >

2,56), la PAT cumple

55502462 puestas a tierra cip 27-04-11 uni fiee

Documents