COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

• La coordinación de aislamiento consiste en un conjunto de procedimientos para la selección de la soportabilidad (niveles de aislamiento) de los equipos eléctricos, en relación a los esfuerzos eléctricos que pueden aparecer en el sistema, y tomando en cuenta las condiciones del medio ambiente y las características de los equipos de protección que puedan disponerse.

• En resumen, la coordinación de aislamiento significa la selección del aislamiento o la soportabilidad del aislamiento.

1. Objeto de la coordinación de aislamiento

• Normalmente, el estudio de coordinación de aislamiento debe comenzar con la definición del criterio de confiabilidad, seguido de un estudio para determinar los esfuerzos eléctricos que se aplicarán a los equipos y a los espacios de aire. Luego, se comparan los esfuerzos eléctricos con la capacidad de soporte (aguante) de los equipos o espacios de aire. Si la soportabilidad necesaria del equipo o espacio de aire fuera excesiva, se podrán reducir los esfuerzos eléctricos utilizando, descargadores (pararrayos), brechas de aire, cables de guarda o resistencias de preinserción en los interruptores de potencia.

Para la coordinación de aislamiento en líneas de transmisión se toman en cuenta los siguientes factores:

• Distancia en el aire entre el conductor de fase y el cuerpo de la estructura o las ménsulas.

• Longitud de la cadena de aisladores.• Número y tipo de aisladores• Puesta a tierra de las estructuras.• Ubicación y número de cables de guarda.• Distancia entre fases a mitad de vano.• Distancia a tierra a mitad de vano.• Necesidad de instalación de descargadores (pararrayos). Véase figura 1.

2. Coordinación de aislamiento en líneas de transmisión

• Figura 1. ESTRUCTURA DE TRANSMISION DE 500 kV

Para la coordinación de aislamiento en las subestacionesde potencia, se toman en cuenta los siguientes factores:• La soportabilidad del aislamiento de los equipos: Tensión

de sostenimiento al impulso tipo rayo (BIL), al impuso tipo maniobra (BSL) y a la frecuencia industrial.

• Distancia, en el aire, entre fase y tierra, y entre fases.• Necesidad del uso de descargadores: ubicación, número y

dimensionamiento.• Necesidad del uso de brechas de aire (air gaps).• Necesidad de blindaje de la subestación (cable de guarda o

pararrayos Franklin).• Mejoramiento del comportamiento frente a las descargas

atmosféricas en las proximidades de la subestación.

3. Coordinación de aislamiento en subestaciones de potencia

• Tensión Nominal.- Es la tensión eficaz (r.m.s.) entre fases, a la frecuencia industrial (50 o 60 Hz) de un sistema eléctrico. El sistema eléctrico es usualmente designado por una tensión nominal a la cuál están asociadas ciertas características de operación del sistema eléctrico. Por ejemplo: para los estudios de flujo de carga y otros estudios se aplica el concepto de tensión nominal.

• Tensión Máxima del Sistema.- Es el más alto valor de la tensión eficaz entre fases, que ocurre bajo condiciones normales en cualquier momento y en cualquier punto del sistema.

4. Definiciones basicas

• Tensión máxima del equipo.- Es el más alto valor de la tensión eficaz entre fases para el cuál se diseña el equipo respecto al aislamiento y a otras características.

• Clasificación del aislamiento.- Los aislamientos se clasifican en:

a. Aislamientos sólidosb. Aislamientos en aire (espaciamientos en aire)c. Aislamientos líquidosd. Aislamientos en gas

• Tipos de aislamiento Aislamiento Externo.- Es la distancia en aire

atmosférico, y las superficies en contacto con aire atmosférico de aislamiento sólido de equipos que estén sujetos a solicitaciones eléctricas y a los efectos de las condiciones atmosféricas y otros agentes externos, tales como la humedad, contaminación, intemperismo, etc.

Aislamiento interno.- Son partes sólidas, líquidas o gaseosas del aislamiento de los equipos que están protegidos de la atmósfera y de otros agentes externos.

Aislamiento autorecuperante.- Aislamiento que recuperacompletamente sus características aislantes después de laocurrencia de una descarga disruptiva. Los aislamientosautorecuperables pueden ser:

• Cubiertas de porcelana de los pasatapas (bushings)• Superficies externas de las cadenas de aisladores• Aislamientos en aire correspondientes a los espaciamientos entre conductores y tierra (estructuras).

• Descarga Disruptiva.- Es la descarga que produce la falla o colapso del aislamiento al ser sometido a un esfuerzo eléctrico. En estas descargas, el aislamiento es completamente anulado, reduciendo la tensión de los electrodos a, prácticamente, cero.

La descarga disruptiva en medios gaseosos o líquidos se denomina cebado (sparkover).

La descarga disruptiva que ocurre sobre la superficie de los aislamientos sólidos en un medio gaseoso o líquido, se denomina flameo o contorneo (flashover).

El término perforación (puncture) se usa cuando ocurre una descarga disruptiva a través de un aislamiento sólido.

• Esfuerzos eléctricos Los esfuerzos a los que están sometidos los aislamientos de los equipos y espacios de aire son: La tensión permanente a la frecuencia industrial; Las sobretensionesa. Sobretensiones Temporales (TOV)b. Sobretensiones transitorias de frente lento o de maniobrac. Sobretensiones transitorias de frente rápido o tipo rayod. Sobretensiones de frente muy rápido (producido en los

equipos GIS). La figura 2 muestra las clases y forma de cada tipo de esfuerzo eléctrico.La figura 3 muestra la magnitud y duración de cada tipo de esfuerzo eléctrico.

Figura 2. CLASES Y FORMAS DE ONDAS DE TENSIONES Y SOBRETENSIONES

Figura 3: Resumen de esfuerzos eléctricos y curva tensión – tiempo del aislamiento

Tensión permanente a la frecuencia industrial Desde el punto de vista del aislamiento, es importante

comprender la diferencia fundamental entre los esfuerzos eléctricos originados por la tensión nominal y los originados por las sobretensiones. Las sobretensiones son de naturaleza transitoria (breves), pero la tensión nominal (incluyendo la máxima tensión de servicio), aún siendo reducida en magnitud, actúa permanentemente produciendo esfuerzos en el dieléctrico del aislamiento mientras el sistema esté en operación.

Los esfuerzos continuos debidos a la tensión nominal son importantes puesto que contribuyen al envejecimiento del aislamiento, particularmente de los aislamientos internos. Con el paso del tiempo, podrían producirse fallas en el aislamiento sea por flameo o perforación.

Las cualidades dieléctricas o soportabilidad del aislamiento puede cambiar de manera importante debido a los efectos combinados de la contaminación y humedad del medio ambiente, llegando a producirse flameos en los aislamientos. Debe quedar claramente establecido que los fenómenos de contaminación afectan la operación del sistema cuando éste opera a su tensión nominal.

Sobretensiones Las sobretensiones son tensiones transitorias entre una fase y

tierra, o entre fases, cuyo valor de cresta (pico) excede el valor de cresta de la máxima tensión de equipo:

Um√2/√3 para sobretensiones fase – tierra, o, Um√2 para sobretensiones entre fases.

– Sobretensiones Temporales (TOV) Son sobretensiones a la frecuencia industrial de relativa larga

duración; pueden ser débilmente amortiguadas o no

amortiguadas. En algunos casos, su frecuencia puede ser varias veces menor o mayor que la frecuencia nominal del sistema.

Las sobretensiones temporales se originan por las siguientes causas:

• Fallas de fase a tierra• Pérdida súbita de carga (rechazo de carga)• Resonancia y Ferroresonancia• Sobretensiones longitudinales durante la sincronización.• Efecto Ferranti• Efecto combinado de sobretensiones temporales de

distinto origen

Sobretensiones temporales por falla de fase a tierra Las sobretensiones temporales por fallas a tierra de una fase son

las más comunes y se caracterizan por ser no amortiguadas y producir sobretensiones en las fases no falladas y cuya duración se puede prolongar hasta que la situación se corrija; es decir hasta que la falla se elimine. Para este tipo de fallas, la forma de onda no varía respecto a la forma estándar a la frecuencia industrial.

La magnitud de las sobretensiones depende del tipo de puesta a

tierra del sistema en el lugar de la falla. En sistemas con neutro efectivamente puesto a tierra, el factor

de puesta a tierra es igual o menor a 1,4, y se cumple que: 0≤Xo/X1≤3 y Ro/X1≤1.

En sistemas con neutro efectivamente puesto a tierra, la falla fase a tierra, por lo general, dura menos de 0,2 segundos por actuación de la protección principal, o 1 segundo por acción de la protección de respaldo.

En sistemas con neutro aislado, o puestos a tierra mediante una impedancia, las sobretensiones en las fases sanas pueden exceder la tensión entre fases del sistema. Esto se debe al hecho de que este tipo de sistemas están acoplados a tierra a través de las capacitancias parásitas, entonces, la tensión en las fases sanas será:

TOV = 1,73 Um o mayor En este caso, la duración de la falla puede ser desde algunos segundos hasta horas, dependiendo de la magnitud de la corriente de falla y de los dispositivos de protección. En la fig. 2.2 se muestran las sobretensiones por falla a tierra.Véase figura 4

Fig. 4 : Sobretensiones temporales por falla a tierra

Sobretensiones Temporales por Efecto Ferranti La tensión de estado estacionario en el extremo abierto de una

línea de transmisión es siempre mayor que la tensión en el extremo de envío. Este fenómeno es conocido como Efecto Ferranti, y se origina debido a la corriente de carga capacitiva que fluye a través de las inductancias longitudinales de la línea.

Para líneas no compensadas, las tensiones en los extremos de la línea se relacionan con la siguiente expresión:

V2 = 1 V1 cos(βl)

Donde:

V2 = Tensión en el extremo de recepción, en circuito abierto V1 = Tensión en el extremo de envío L = longitud de la línea β = Constante de fase; igual a 7,20 grados/100 km a 60 Hz. Para la mitigación del efecto Ferranti, se utilizan reactores en derivación (shunt). Véase figura 5.

Figura 5. EFECTO FERRANTI

Sobretensiones Transitorias Las sobretensiones transitorias se caracterizan por ser de corta duración, de algunos milisegundos o menos; son de naturaleza oscilatoria o no oscilatoria, usualmente fuertemente amortiguadas. Sobretensiones transitorias de frente lento o de maniobra Las sobretensiones de frente lento pueden ser entre fase y tierra o entre fases, en un determinado punto del sistema, y se producen como consecuencia de la operación de un equipo de maniobra (interruptor), una falla o cualquier otra causa.El frente de onda tiene una duración de entre algunas decenas y algunos miles de microsegundos, y tiempos de cola del mismo orden de magnitud. Estas sobretensiones son de naturaleza oscilatoria y fuertemente amortiguadas.

Las sobretensiones de frente lento se originan en:Energización y recierre de líneas.Ocurrencia de fallas y eliminación de las mismas.Rechazo de cargas.Conexión y desconexión de cargas capacitivas e inductivasDescargas atmosféricas que inciden en los conductores de fase en lugares alejados al punto considerado. Para los fines de coordinación de aislamiento, la forma de onda de tensión representativa es el impulso de maniobra normalizado utilizado en los ensayos, con tiempo de frente de 250 μs y tiempo de cola de 2500 μs.

Véase figura 6

NETWORK STRESSES – SWITCHING OVER VOLTAGE – 4 pu, 10 ms

ENERGISATION – SWITCHING ON FAULT CLEARING - SWITCHING UNLOADED TRANSMISSION LINE OFF SHORT CIRCUIT CURRENT

Figura 6. SOBRETENSION POR MANIOBRA DE INTERRUPTORES

Sobretensiones transitorias de frente rápido o de rayo Las sobretensiones de frente rápido se caracterizan como sobretensiones entre fase y tierra o entre fases, en un determinado punto del sistema, debido a una descarga eléctrica atmosférica o a otra causa, cuya forma de onda presenta tiempos de frente entre 0,1 y 20 us, y tiempos de cola de hasta 300 us. Estas sobretensiones son fuertemente amortiguadas. Las sobretensiones originadas por descargas eléctricas atmosféricas son las siguientes: Por fallas de apantallamiento (shielding failure), por flameo inverso (back flashover) y por tensiones inducidas. Esta última sobretensión afecta sólo a línea de media y baja tensión, y de telecomunicaciones, pero no a líneas de transmisión, debido al relativo bajo nivel de aislamiento de las primeras.Véase figura 7

Figura 7. FALLA POR SOBRETENSION DE ORIGEN ATMOSFERICA

Sobretensiones de Frente muy rápido Las sobretensiones de frente muy rápido se originan como consecuencia de las operaciones de seccionadores o por fallas dentro de una subestación encapsulada con gas (GIS), debido a una disrupción rápida del aislamiento gaseoso y una propagación prácticamente no amortiguada del transitorio dentro del GIS. Sus amplitudes son rápidamente amortiguadas al salir del GIS; por ejemplo, en los pasatapas, y sus tiempos de frente son generalmente incrementados alcanzando el rango de las sobretensiones de frente rápido.

La soportabilidad de los aislamientos está expresada por las tensiones de sostenimiento que, según la norma IEC 60071-1, se define como los valores de las tensiones que son aplicadas bajo condiciones especificadas, en una prueba de sostenimiento, durante la cuál se tolera un número determinado de descargas disruptivas. La norma IEC 60071-1 define los siguientes conceptos:

Tensión de sostenimiento estadístico (U10), cuando el número de descargas tolerables está relacionada con una probabilidad de sostenimiento especificada. Según la norme IEC, la probabilidad especificada es Pw = 90 %. Este concepto sólo se aplica a aislamientos autorecuperables (aislamientos externos).

Soportabilidad de los aislamientos

Tensión de sostenimiento asumida convencional, cuando el número de descargas disruptivas tolerado es cero. Se considera que la probabilidad de sostenimiento es Pw = 100 %. Este concepto se aplica a aislamientos no autorecuperables (aislamientos internos).

Tensión crítica disruptiva (U50) corresponde a la tensión con la que el aislamiento tiene un 50 % de probabilidad de fallar.

Desviación estándar convencional (Z).- La IEC ha definido también a Z como la desviación estándar convencional, que representa la dispersión de las tensiones de flameo. Z se define como la diferencia entre las tensiones correspondientes a las probabilidades de flameo 50 % y 16 %; es decir Z = U50 – U16.

Para fines de estudios de coordinación de aislamiento, la IEC recomienda tomar los siguientes valores de Z:Para impulsos tipo rayo (frente rápido) : Z = 0,03 U50 kVPara impulsos tipo maniobra (frente lento) : Z = 0,06 U50 kVPara sobretensiones a la frecuencia industrial : Z= 0,03 U50 kV Por tanto, el parámetro U10, correspondiente a la probabilidad de sostenimiento del 90 %, se relaciona con la tensión U50 de lasiguiente forma:Para impulsos tipo rayo (frente rápido) : U10 = U50 - 1,3 Z =

0,961 U50 kVPara impulsos tipo maniobra (frente lento) : U10 = U50 - 1,3 Z

= 0,922 U50 kV Para sobretensiones a la frecuencia industrial: U10 = U50 - 3 Z =

0,910 U50 kV

La magnitud de las sobretensiones temporales a la frecuencia industrial es típicamente de valor reducido comparada con la correspondiente a las sobretensiones de frentes rápido y lento. Por lo general, las sobretensiones temporales son inferiores al 50 % por encima de la tensión de operación.

Niveles de Aislamiento estandarizados La Norma IEC 60071-1 ha normalizado los niveles de

aislamiento o tensiones de sostenimiento, tomando como base las máximas tensiones de equipo (Um), y son los que se muestran en las Tablas Nos 2 y 3 de la referida norma.

FIGURA 8. DISTANCIAS DE ARCO EN SECO YDISTANCIAS DE FUGA DE AISLADORES

a) AISLADOR TIPO PIN

b) CADENA DE AISLADORES DE SUSPENSION

c) AISLADOR POLIMERICO

Selección del aislamiento de una línea de transmisión

Condiciones estándar de referencia Los niveles de aislamiento consignados en las normas internacionales, así como las características de los aisladores que figuran en los catálogos de los fabricantes, están referidas a las siguientes condiciones estándar: o Temperatura (to) = 20ºCo Presión (bo) = 101,3 kPa (1013 mbar)o Humedad absoluta = 11 g/m3

Factor de corrección por altitud según la norma IEC 60071

m(H/8150)Ka = e

Donde:

H = altitud sobre el nivel del mar, en metros.m = 1,0 para la coordinación con tensiones de sostenimiento al impulso tipo rayo.m = 1,0 para tensiones de sostenimiento a la frecuencia industrial de aire limpio y aisladores limpios.Para aisladores contaminados y para tensiones de sostenimiento a la frecuencia industrial, el valor de m puede ser tan bajo como 0,5 para aisladores cerámicos estándar, y tan altos como 0,8 para diseños antiniebla.

Factores de seguridad

Para tomar en cuenta las inexactitudes y dispersiones en los valores de las tensiones de sostenimiento obtenidos en los varios ensayos, la Norma IEC 60071-1 recomienda los siguientes factores:

o Para aislamientos internos: Ks = 1,15o Para aislamientos externos: Ks = 1,05

Diseño del aislamientoo Diseño por sobretensiones a la frecuencia industrialo Diseño por sobretensiones de impulso tipo rayo ( de frente rápido)

o Diseño por sobretensiones de maniobra (de frente lento)o Diseño por contaminación ambientalo Diseño por esfuerzos mecánicos Ejemplo de selección del aislamiento según la Norma IEC

INFORMACIÓN BÁSICA Tensión de la línea 138 kV Conductor por fase aleación de aluminio (AAAC) Sección del conductor 240 mm² Carga de rotura del conductor 70 kN Carga máxima de trabajo 35 kN Altitud de instalación 3000 m.s.n.m. Grado de contaminación ligera (16mm/kV)

Determinación del aislamiento en condiciones estándar Tensión máxima de servicio 145 kVTensión de sostenimiento al impulso tipo rayo (de frente rápido) 550 kVTensión de sostenimiento a la frecuencia industrial en seco 230 kVLongitud de línea de fuga (16 mm/kV * 145 kV) 2320

mmEsfuerzo mecánico en cadena de aisladores anclaje (35 x 2,5) 87,5 kN

Determinación del aislamiento a 3000 m.s.n.m.(3000/8150)

Factor de corrección por altitud (ka = e =1,44Tensión máxima de servicio 145 x 1,44 = 208,8 kV ≈ 245 kV Tensión de sostenimiento al impulso tipo rayo = 850 kVTensión de sostenimiento a la frecuencia industrial en seco = 360 kVLínea de fuga (16 mm/kV x 145 kV x 1,20) = 2784 mm

Selección de los aisladores según catálogo del fabricante Por ejemplo: Fabricante SEDIVER (Francia) Material del aislador PoliméricoTipo EB – N° Catálogo: 120 XM 59Longitud del aislador 1883 mmLongitud de línea de fuga 5163 mmDistancia de arco en seco 1649 mmTensión de sostenimiento a la frecuencia industrial (seco) 575 kVTensión de sostenimiento al impulso tipo rayo 875 kVCarga mecánica 120 kN

Determinación del aislamiento según ANSI (a 3000 m.s.n.m.)

Tensión máxima de servicio 245 kVTensión crítica de flameo (CFO) al impulso de rayo 883 kV (+) (850/0,961)Tensión crítica de flameo a la frecuencia industrial en seco 400 kV (360/0,910)Línea de fuga 2784 mm

Selección de los aisladores según el catálogo del fabricante Material de los aisladores Porcelana o vidrioTipo: Aislador estándar bola – casquillo

(ball – socket)Número de aisladores por tensión crítica al impulso tipo rayo (CFO) 11 aisladoresNúmero de aisladores por tensión crítica de flameo a la frecuencia industrial (60HZ)

7 aisladoresPor línea de fuga (2784/ 320) 8,7 aisladoresLongitud de la cadena de aisladores 1606 mmCarga mecánica 100 kN

Catalogo: SEDIVER

EFECTOS DE LA CONTAMINACION SOBRE LOS AISLADORES

EFECTOS DE LA CONTAMINACION SOBRE LOS AISLADORES

EFECTOS DE LA CONTAMINACION SOBRE LOS AISLADORES

EFECTOS DE LA CONTAMINACION SOBRE LOS AISLADORES

Catalogo: NGK INSULATORS, LTD.