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6TO CONGRESO IBEROAMERICANO DE ESTUDIANTES
DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (VI CIBELEC 2015)
METODOLOGÍA PARA EL ESTUDIO DE SOBRETENSIONES ORIGINADAS
POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS AÉREAS DE
DISTRIBUCIÓN DE 13,8 KV
Autores:
Leonel Vivas
Pedro Ramírez
Yván Hernández
CONTENIDO
Introducción
Aspectos Teóricos
Descripción de la Metodología
Caso de Estudio
Propuesta
Conclusiones
ESTADÍSTICA DE FALLAS EN EL SISTEMA ELÉCTRICO DE PDVSA
DIVISIÓN PUNTA DE MATA
EXTERNA, 20%
DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS
26 %
DESCONOCIDAS
28 %
Causas de las Fallas en el Sistema
Eléctrico de Distribución de la
División Punta de Mata del año 2007
al 2011
72%
7%
21%
Distribución
Generación
Transmisión
Fallas en el Sistema
Eléctrico de la División
Punta de Mata del año
2007 al 2011
INTRODUCCIÓN
ASPECTOS TEÓRICOS
ASPECTOS TEÓRICOS
EL RAYO
Descarga transitoria de elevada intensidad
PARÁMETROS DE INCIDENCIA DE LA DESCARGA
Nivel Ceráunico (Td): días con tormenta al año en una determinada región.
Densidad de Descargas a Tierra (Ng): [rayos/km2/año]
PARAMETROS DE INTENSIDAD DE CORRIENTE DE LA DESCARGA
Distribución de Probabilidad Acumulada
𝑵𝒈 = 𝟎.𝟎𝟒𝑻𝒅𝟏.𝟐𝟓
𝑷 𝑰𝟎 ≥ 𝒊𝟎 =𝟏
𝟏+ (𝒊𝟎 𝟑𝟏 )𝟐.𝟔
ASPECTOS TEÓRICOS
FORMA DE ONDA DE CORRIENTE DEL RAYO
La forma de onda de impulso de rayo estandarizada en IEEE Std 1243-
1997 :
Cuyos parámetros son:
Tiempo de subida = 2 μs
Tiempo de cola = 20 μs
Tiempo máximo = 50 μs
ASPECTOS TEÓRICOS
TIPOS DE FALLAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
En las líneas eléctricas aéreas pueden ocurrir tres tipos de fallas por
descargas atmosféricas:
Descargas retroactivas (Backflashovers) : impactos directos al
conductor de guarda o estructura poste.
ASPECTOS TEÓRICOS
TIPOS DE FALLAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Falla en el apantallamiento (Shielding Failure) impactos directos al
conductor de fase
MODELO ELECTROGEOMÉTRICO DE ATRACCIÓN
𝑅𝑠 = 𝑅𝑝 = 10 ∗ 𝐼0.65
𝑅𝑔 = 3.6 + 1.7𝑙𝑛 43 − 𝑦𝑐 𝐼0.65𝑦𝑐
ASPECTOS TEÓRICOS
TIPOS DE FALLAS POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Descargas Inducidas (Induced Flashovers) : impactos cercanos a
tierra, cuyas sobretensiones inducidas en un conductor se pueden
determinar a través del modelo de Rusck (IEEE Std. 1410-1997)
donde:
V : voltaje pico inducido, kV.
I : corriente pico de impacto, kA.
h : altura de la línea, usualmente en metros o pies.
y : distancia del impacto a la línea.
𝑉 = 36.5𝐼.ℎ
𝑦
DESCRIPCIÓN DE LA
METODOLOGÍA
Recolección de datos
Modelado de la Línea Aérea
Simulación de Tipos de
Falla
Cálculo de Tasa de Salida
Evaluación de Opciones
de Mejora
Propuesta de Ajustes
CASO DE ESTUDIO
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13,8 KV
Se realiza mediante la herramienta de simulación TFlash v 4.0.22 desarrollada
por EPRI (Electric Power Research Institute).
PARAMETROS GENERALES DE SIMULACIÓN
Nivel de Voltaje de operación: 13,8 kV
Número de Circuitos: 1
Densidad de descargas atmosféricas a tierra (Ng): 9,57 descargas/km2/año
Forma de Onda del Impulso de Rayo: estandarizada en IEEE Std. 1243-1997
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13,8 KV
Datos Geográficos
• Corredor
• Elementos cercanos
• Resistividad del terreno
Postes y Estructuras
• Ubicación
• Tipo de configuración
• Sistema de puesta a tierra
Conductores • Tipo y calibre
• Disposición geométrica
Elementos Instalados
• Aisladores
• Descargadores de sobretensión
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV
PERFIL TOPOGRÁFICO DEL CORREDOR
125
130
135
140
145
150
155
0 98 189 277 370 456 551 654 724
Co
ta (
m.s
.n.m
)
Distancia (m)
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV
CARACTERÍSTICAS DE LA LÍNEA
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV
PERFIL DE RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Resis
ten
cia
de P
uesta
a T
ierr
a Ω
Postes
Perfil deResistencia dePuesta a Tierra
Valor máximopermitido ANSIIEEE C2
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV
CONDUCTORES:
FASE: 477 kcmil ASCR
GUARDA: 3/8 ”
AISLADORES
Clase ANSI C29.13: DS-28
Tipo: Retención
Material: Polimérico
CFO POSITIVO: 190 kV
CFO NEGATIVO: 220 kV
MODELADO DE LA LÍNEA MUSCAR II 13.8 KV
DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN:
Norma: IEEE C62-11 1999
Fabricante: Siemens
Modelo: 3EK7 150-3AD4-Z P12
ESCENARIOS DE
SIMULACIÓN
ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
Escenario N°1 Impacto de Descarga Atmosférica Directo al
Conductor de Guarda. Línea Muscar II 13,8 kV
ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
Escenario N°2 Impacto de Descarga Atmosférica Directo a un
Conductor de Fase. Línea Muscar II 13,8 kV
ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
Detección de Fallas en Apantallamiento de la Línea Muscar II 13,8 kV
Poste 1 Poste 2 Poste 3
Poste 4 Poste 5 Poste 6
Poste 9 Poste 8 Poste 7
ESCENARIOS DE SIMULACIÓN
Escenario N° 3 Impacto de Descarga Atmosférica a Tierra o
Cercano. Línea Muscar II 13,8 kV
CÁLCULO DE TASA DE
SALIDA
SIMULACIÓN ESTADÍSTICA DE TASAS DE
SALIDA
Corrida de rutina de cálculo estadístico en la herramienta TFlash v 4.0.22
CÁCULO ESTADÍSTICO DE TASAS DE SALIDA
Distribución de los tipos de fallas por descargas atmosféricas en la línea
Muscar II 13,8 kV
OPCIONES DE MEJORA
OPCIONES DE MEJORA
Opción N°1. Aumento de la Capacidad de Aislamiento
Clase ANSI C29.13: DS-35
Tipo: Retención
Material: Polimérico
Distancias en mm: 559 (entre ejes), 954 (fuga), 426 (arco seco)
CFO positivo: 300 kV
CFO negativo: 320 kV
OPCIONES DE MEJORA
Opción N°2. Mejora del Sistema de Puesta a Tierra
Tipo: contrapeso continuo
Conductor: cobre desnudo 4/0 AWG
Longitud: 724 m (correspondiente a la longitud de la línea)
Profundidad: 1 m bajo el nivel del suelo
OPCIONES DE MEJORA
Opción N°3. Corrección del ángulo de apantallamiento
Postes de Amarre, N° 1, 2, 6, 8 y 9, ya = yb = yc = 10.91 m
Postes de Suspensión, N° 3, 4, 5 y 7, ya = 10.97 m , yb = yc = 9.47 m
Poste 1 Poste 2 Poste 3
Poste 4 Poste 5 Poste 6
Poste 9 Poste 8 Poste 7
OPCIONES DE MEJORA
Evaluación de las opciones de mejora
PROPUESTA
PROPUESTA
ESTRUCTURA DE LA PROPUESTA
Aumento de la capacidad de aislamiento y mejora del sistema de puesta a
tierra
La tasa salida pasa a ser 51.379 salidas/ 100 km de línea/ año, se reduce
a un 29% del valor actual.
CONCLUSIONES
La simulación de los escenarios permitió observar en detalle el comportamiento
de la línea aérea de distribución en estudio ante los tipos de falla simulados,
obteniendo información asociada a las magnitudes de corrientes críticas y
sobretensiones inducidas.
Con la aplicación de la rutina de cálculo estadístico de la herramienta de
simulación TFlash v 4.0.22 se obtuvo la información necesaria para orientar las
propuestas de mejora de rendimiento de la línea II Amana-Muscar 13,8 kV ante
sobretensiones originadas por descargas atmosféricas.
CONCLUSIONES
La línea II Amana-Muscar 13,8 kV, se encuentra afectada principalmente por las
sobretensiones inducidas, originadas por impactos de rayo cercanos a la línea.
La implementación de aisladores con un nivel de CFO de 300 kV en la línea
Muscar II 13,8 kV, sumado a la mejora del sistema de puesta a tierra en miras de
cumplir con los valores normalizados de resistencia de puesta a tierra, mejora el
desempeño de la misma ante sobretensiones originadas por descargas
atmosféricas, reduciendo la tasa de salida a un 29 % de la tasa actual.
El sistema de puesta a tierra está directamente ligado al desempeño de la línea
aérea ante impactos de rayo directos al conductor de guarda.
CONCLUSIONES
Corregir el ángulo de apantallamiento a 43.02° en postes de amarre y 44.20° en
postes de suspensión, resulta la forma más apropiada de disminuir las fallas por
impactos de rayo a un conductor de fase en la línea II Amana-Muscar 13,8 kV.
La instalación de descargadores de sobretensión en todos los postes de la línea
II Amana-Muscar 13,8 kV se lleva a cero la tasa de salida ante sobretensiones
originadas por descargas atmosféricas, sin embargo estos representan puntos de
falla adicionales en la red, con lo que aumenta el número de fallas y los tiempos de
reposición del servicio, por lo que la implementación de los mismos debe analizarse
a través de un análisis técnico-económico aparte.
¿PREGUNTAS?
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¡GRACIAS POR SU ATENCIÓN!