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DISEÑQ DE LA
SUBESTACIO'N BOLICHE
Tesis previa a la obtención de} Título de Ingeníe_
ro en la especializactón de Fuerza de la Facul -
taci de Ingeniería Eléctrica de la Escuela Politéc^
nica Nacional.
JOSÉ G U S T A V O A U T A M Í R A N O FREIRÉ
Quito, a Julio de 1975
Ceptificp que la presente Tesis:
upisepq ^e ]$• Subestación Boli-
'che" ha sido realizada en su to_
talidad por el señor José G. Al^
tamirano F-
ING. PATRIQI QUEZ V.
pirectop de Tesis
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SUMARIO
Es{:e t:pabajp pppsiste tep) ^] cjis^DQ cl l sistema qje
PHps.(:ej ^ tj-^ppa y 1 ppopclip)apiQn del - g.is)arpientQ
eje la SMbestQ.pf6n Boliche, pap.tifindo clel análisis
cíe! esqgerpa t^ásiop ,de bappas y de .datos de los
est^cjios peO-l-X2ac!o3 pop IIMEpEL.
P h^ P|i38QpppJlftCÍQ ínclicanclo ]ae bases. '
,dp pap^a f^pórpgpq pealizapfJo juego IQB
,-<!
• I N Q I C E
I «« PPNBIP.ERAQIQNES GENERALES
;LA SUP^STAQÍPM BOLICHE QQMD PARTEÍ[N]TERCQNECTAPO 1
4. ¡ESQyE/VlA P.E LA SLjBEBTApTQN £LEGIDQ
- : ^ " 5
• ' • • ' • • ' ; 7
•4.4;Jtr l r 4-5 Ppsjipq ,anyal;e§ ,<de cje^^pf^fp? 16
" f <;:v,4r6 pogtq tptal ^ pQrrjparapipp epqp§rnicei 17
, : . . . 1 7
19
1.2
Pag
'.CAPITULO II .- SISTEMAS DE TIERRA
• . . ' • .•-*
1 . INTRODUCCIÓN 20
.-- 2. ESTUPIO DE RESISTIVIDAD 22
2.1 Ti-po de suelo 22
2.2 Mecadas ,c|e pesistiviclacj 24
a, 3 Influencia de la pesjstivlciacl Í5f5
3. DETERMINACIÓN PE LA MÁXIMA CQRRIEN
.,. TF PE TIERRA . 2?¡' .3,1 CálpWlQ . - 27
.3,2 pqnrepctón 29
4, . DISEÑQ PR.EUIMIfNAR DEL SISJEMA DE
. TÍ^RRA 30
4.1 Corrientes tolerables 3O
4.2 p}ferenc}cis de pqfenP}^} tQler^bjes 33
6,, SISJEMAS PE
tí 5.1 Sist.ema radial ' 36
5,2 Sistema ^n anillp 37
5.Q SjstPÍT)^ de grí}!^ 38
•JJ3.4 Síeterm plegKJQ 38»• - : • • '
6. u CALCiJLQ DEL DIÁMETRO DEL CONDUCTOR 39
1.3
Pag
7. i_PNí3JTUP PE MAJÓLA 41
7.1 pe|:eprpinapi£n de poe.fipipptes \<fft y K¿ , 42.
7. .2 C lpl-jlp cíe la longitu^ 45
0, RESISTENCIA PE MAM-A
9.1 Métqcjp eje Laupept y Wírp^n 45
B.2 MfctocjQ .cjp Spi^yyarz 46
9. MAXIMP AUMENTO DE POTENCIAL 48
Q.-| VoTI^-je de pasp . 49
9.2 pp^epc jalee ele ppptaptp 51
9.3 pptenp¡-a}í3s eje PPpf P.tQ PP las pepeas 53
9.4 ppteppfajes c^e .bp^n^ferPnpm 57
1Q. . ppRRJEpCLONE^ Y REfJNAMÍFNTQ PEL
JEJÑQ PRELIMINAR ' * 58
' v' CAPITULP in .r-, QPQRPINAPIQN PE AISLAMIENTO-i>;í . ' • • '
1 s IMTPPDPPCípN ,
62£
2.1 ppnepalúdades 62
2.2. EstipnapiiSp de ]a^ sqt?r^tepsiqnps 73
3, TÉCNICAS- QQRREpTIV^S 97
1-4
3.1 pppteccjpn .cpntpa sqt3pet.e
3.2 Qonsicjeraciqn.es eje aislam-ienÉQ
3.3 Cpppección por conclipipnes m,etppep].&gicas
97
110
113
A, CQORDINACION Pií AISLAMIENTO
4 T 1 Seleppióp del aislarniísntQ eje las iCneas
4.2 Cpopcjinapj.6.n del ai
110
116
137
.CAPITULO IV .-• CONCUUSTQNES Y RECQMENDA-
'¡ pIDMES
CAPITULO
CONSIDERACIONES GENERALES
1. LA SUBESTACIÓN B'OLICHE COMO PARTE DEL SIS-
La Subestación Boliche forma parte del Sistema Nació
nal de Generación y Transmisión, llevado a cabo por .
INECEL, que de acuerdo a su concepción considera la
construcción de. central es de gran potencia., líneas de
transmisión de 138 «v.^, 230 Kv. y 345 Kv, y grandes
subestaciones de. intercone-XT-0^ -para abastecer de ener
gía eléctrica.-a todo el país. De acuerdo a estudios
realizados por INECEL, la demanda de energía crece-
rá en forma acelerada, pues el país está entrando en una
etapa de industrialización. En la actualidad el servicio
eléctrico público en el Ecuador está suministrado de rna
ñera independiente por Empresas Eléctricas regionales
y en casi todo el país este servicio es deficiente > y es
una de las razones porque el Ecuador ocupa el oenúlti-
mo luga^ en cuanto a electrificación dentro del Continen
te Sudamericano,
El Sistema Nacional de Transmisión pretende intercone£
tar los principales centros de consumo., y los de produc_
ción energética de gran magnitud, brindando un servicio
eléctrico en escala nacional, con la consiguiente reciuc
ción de costos y la simplificación de actividades y ope
ración. .La energía en los centros de consumo será
distribuidas por empresas regionales; a las cuales INE
CEL. venderá la energía en bloques,
Entre ios principales proyectos'que INECEL tiene pro-
gramado construirlos para suplir de energía 'al país,
constan los siguientes:. Pisayambo., cuya primera etapa
está en. construcción y que generará 69.2 MW.; .Paute.,
que en su totalidad generará 1 .350 MW.; Toachi, cuya
capacidad de generación será.. 350 MW.¿ Chimbo_, con " "
una capacidad de 184 MW.- Santiago3 el cual podría pro
ducir 2.200 MW.; Coca., cuya capacidad sería de.3,100
iViW.; Jubones} con aproximadamente 168 MW.; 'Zamora,
con 500 MW. , etc. Los proyectos anteriormente nom-
brados serán centrales hidráulicas. INECEL tiene prp_
gramado además la instalación de grandes centrales ter^
moeléctricas en Guayaquil y en Santo Domingo de los Co
lorados. ' .
Por otro lado, en cuanto a la demanda INECEL ha rea_
I izado estudios. La Figura 1,1 nos indica estos resul-
tados , como podemos ver, los princioales centros de
consumo serán Quito y Guayaquil, estos estudios han si_
do realizados hasta 1 ,990. Podemos además observar
la forma del Sistema Nacional Interconectado y las re-
3.
giones a las cuales interconectan, a muchas de las cua
les se las ha reunido formando un centro o sistema re
gional lo cual resulta provechoso para una mejor admí
nistración, operación y mantenimiento,
De acuerdo con los diagramas unifilares del Sistema Na
cional Interconectado, la subestación Boliche es una de
las más importantes, pues constituye el centro de ínter
conexión entre los principales centros de consumo y de
generación, pues hacia ésta fluirá energía del Paute, la
cual constituirá la central de mayor potencia hasta 1990
y conectará a Guayaquil lo mismo que a Quito pasando
por Quevedo y Santo Domingo de los Colorados, por o-
tro lado, enviará energía a El Oro, Loja, Milagro y
Los Ríos.
2. UBICACIÓN
El sitio escogido para la subestación está a unos 3O Km
de Guayaquil, entre la carretera Duran—El Triunfo y el
desvío a Milagro, como lo podemos observar en la Fígu
ra í .2 . .
El lugar elegido es un sitio plano, de ícicil acceso, tan_
to para la llegada como para la salida de las líneas, la
altura sobre el nivel del mar es de 50 metros, aproxi-
madamente (ver Figura 1 .3)*
4.
POTENCIA
La Subestación' Boliche es una subestación de interco-
nexión y de transformación, Se realiza la interco -
nexión en 230 Kv,~y.la transformación de 230 a 138 Kv.
es decir que dicha subestación tendrá patios -de manió
bra de dos niveles de voltaje. Al patio.de 230 Kv, Ale
garán lineas del. Paute y saldrán lineas hacia Guayaquil',
' y Quevedo., estas lineas serán a doble circuito. Del pa
tio de 138 Kv. saldrán líneas a Milagro y El Oro, las
cuales serán también de. doble circuito ; " - . " . -
. ' ' -" . . ' : • • • - - - ' ' • TABLA l'.-l : • " - / ' :••• - >'•
' " : ; - FLUJO DE- CARGA . / ;'"- . ; .; ''
1979
1986
1987
1988
1989
1990
1934
1931
Paute
192
376
362
347
4O3
383
411
•476
Quevedo Guayaquil
16;
' 87
- "- 36 -
- . 1 07 .
122
- 29
106
78
'•."140 . .
226 ;285
3OO
99
205
47
. 93
230 Kv. a
138 Kv. .
36
63'-
113 '
. . 154
181
213
. 257
30O
Milagro
28
. - • • 41 •
70
96
. 111
130
152
180
El Oro
v 8 .-
. 22
43
58
70
83
1O5
120
La potencia que fluye en la subestación está indicada en
5.,
la Tabla 1 . 1 - (ver Figura 1.4) (Referencia: S) y ha sido
realizada para diversos años, con un 16 % de proyec-
ción de la demanda. Como podemos ver la mayor par
te de la energía va de Boliche a Guayaquil hasta cuan-
do entran las líneas desde el Paute a Guayaquil a 345
Los transformadores se instalarán en dos etapas,, pri-
mero un banco de. autotransforrnadores monofásicos de
75 MVA cada uno y luego otro banco similar. . :
4. ESQUEMA 'DE LA SUBESTACIÓN ELEGIDO > ;
4.1 'INTRODUCCIÓN " ' - ... " '/-, -. ; . • . . '
La elección del esquema de una subestación depende de
muchos .factores, pero los factores determinantes son,
su importancia dentro de un sistema y su potencia _, pues
sería antieconómico equipar una subestación de poca im
portancia, de manera que la continuidad de servicio no
compense las inverciones realizadas o viceversa, una
gran subestación con pocas alternativas de evitar la sa
lica de servicio. Por eso es muy importante realisar
un análisis de tipo económico antes de seleccionar el es
quema básico de una subestación.
Se cebe considerar -además el tipo de carga a servirse
aáí corno la ubicación de la subestación dentro del sis
terna eléctrico., para una buena selección del esquema,,
pues si estos factores demandan una máxima continuidad
se deben tomar las medidas necesarias , y será desea-
ble una subestación, con un' grado de seguridad de acuer
do con las necesidades., por lo tanto los factores en jue
go son .costo y seguridad» . ' - : . .
Por otro lado es muy importante tener un esquema de
fácil operación, que no dificulte las, protecciones del
sistema., así como tampoco al mantenimiento, y opera-
ción de los elementos de^ la subestación, es deseable
'pues que el mantenimiento de un interruptor .se lo reali
ce sin tener que'dejar fuera de servicio un circuito im
portante, que las transferencias a otras barras sean mf
nímas y sencillas, que en caso de folla salga fuera de '• •
servicio un solo circuito, que-los séccionamíentos se
realicen adecuadamente para tener una buena distribu -
ción de circuitos, y que en caso de falla no se pierda
toda la barra, y permita futuras ampliaciones.
'INECEL ha realizado estudios al respecto (Referencia: 3)
para todas las subestaciones del Sistema Nacional, a con
tinuación exponemos el tipo de análisis realizado y los re_
saltados obtenidos para diferentes esquemas estudiados,
oara la Subestación Boliche,
4.2 TIPOS DE ANÁLISIS
Se ha estudiado el grado de confiabilidad de la subes-
tacior.j analizando las posibles fallas y averías que pue
dan presentarse en sus componentes3 como son: barras.,
interruptores ? seccionadores} equipos de protección >
etc,-V es decir que el grado de funcionabilidad se detzer
mina en base al número de horas fuera de servicio.
De esta manera podemos evaluar los costos anuales, de
potencia y energía que se dejarían de suministrar, corn
'parando costos de equipamiento y pérdidas por follas, "
podemos seleccionar el esquema más económico y confia
ble. Se han analizado los siguientes tipos de averias-.
4.2,1 Averías en barras principales
El número de averías por año lo podemos calcular en
base a la siguiente fórmula:
G( = PÍ x bp x -^ (1.. 1)
Doñee:
GÍ = Número de averías por año.
pj = Probabilidad de fella = 0.02 averias/año.
bp = Númtero de barras principales para cada nivel
de voltaje.
Ri = Potencia interrumpida (MW,)
P¿ = Potencia total de la subestación (MW.)
El tiempo de interrupción lo podemos calcular con la
siguiente fórmula: •
H4 = Gí x t-í ": : - ; / . . " : ' . . • - " . . . , (1.2)
•Donde: • " . • ' . . - . - • • ' '
H¿ = Tiempo total anual de. interrupción (horas/ario)
.t-í = Duración dé cada avería (horas). .'
El tiempo t -depende del tipo de subestación-
A continuación damos una Tabla:
TIPO DE SUBESTACIÓN ;• ' t¿
Una sola barra " 120 horas
Barra principal y de transferencia 120 horas
Doble barra 0,5 horas
1 1/2 interruptor 0,5 horas
Anillo 120 horas
Se estima 12O horas para' reparar una barra y en 0.5
horas el tiempo necesario para transferir la potencia
de una barra a otra.
9.
4,5,2 Averia en la barra de transferencia
4.2.2.1 Se esté, usando la barra de transferencia, mientras se
efectúa mantenimiento en un montante.
.. " ETl numero de averías por año de este tipo es de;
-. - ' " " " . ' " " ' R ' ' ' • • • ' - - -G2 = ' P2 x bt x m x M x ~- • - (1.3)
- . • . . - ' . . . Pr . ' • -
' - Donde: . -.'•'•••• ' . ; " . . -. . ' -'
G2 = Número de averías por ano. -. . - - . - "
. . p^ - "= .' Probabilidad de falla = 0.0196- averías/año..
• . ' b t = - Número de barras de transferencia..
m ,_ Frecuencia de indisponibilidad =.48/8760.
. -/v\ = .Número de. montantes. - - : . • :
Frecuencia de indisponibilidad es el tiempo que operaría
la barra de transferencia mientras se hace mantenimien
to a un montante. El tiempo, de mantenimiento de cada
montante _, se estima en 48 horas/año y la frecuencia de
indisponibilidad de cada montante es entonces 48/8.760.
El tiempo total de interrupción es:
H« = Ge x t2 (1.4)
Donde:
10»
Hs = Tiempo total anual de interrupción (horas/año)
12 ' == Duración de cada avería = 48 horas.
Se estima la duración de cada averia en 48 horas, que
es el tiempo que se necesita para efectuar .mantenimien
. - , to en un montante. La reparación de "la barra de trans_
.ferencía se estima demoraría 120 horas,, por lo tanto
serfa mucho mejor terminar el mantenimiento del mon-
tante y. utilizar otra vez la barra principal. "...
4.2.2.2 Se usa la barra de transferencia mientras se repara un
. montante. : ' / - ' . ' ; . : ' . - • • . " • . - . ' ,- •
. " Para 'este caso:. . .* • . . • - . • ' ' ' : " - - . -
G'2 =• . PV x ba x m1 x M x ^- . -• (I-o)
Y el tiempo será: ,
H!a = G'2 . x t '2 . (1,6)
Donde:
P12 ~ O. OOO4
m' = 360/8,760
t's = 120 horas
11,
Se estima en 360 horas el tiempo necesario para reoa_
rar un montante y 120 horas la duración de la repara-
ción de la barra de transferencia. Y se toma este
tiempo como duración de cada avería. . -
Finalmente: . : ' ' . . . ' . . . - • •
Y
- - . - ; H2 T_ = ;-H2 •f.H'z; * • • ; - . . . - • " -:•; , - - . - ; (i.s)
4. 2. .3 Avería en montante
Para este tipo de averia se debe considerar el esque-
ma adoptado para cada subestación., debido a que para
diferentes esquemas la gravedad de la avería es distin
ta. • • ' . . • • - • " . •:; '
4.2,3.1 Esquema de una sola barra
x M x + p32 x M x (1.9)
Se han considerado dos tipos de averias:
12.
— Averia grave que dure 360 horas y p_ = 0.02
- Avería leve que dure .24 horas y o = 0.051 3 2
p^ = Potencia asociada en la barra donde se produce
. . _ . . . . l a f e l l a d e l montante. • • • " " ' . • • • .
pv == Potencia total ".de1 la subestación. -
Hl tiempo total de interrupción anual es: , - ..
t j — CC~j x t* i" "4~ C~ x í~ *") . - r -J- • • O ^S f"1 " í'T 1 i~i 3. ^ *• s i - 3¿ sé,-' p. - ¿ - . \ y
• • .. • • Donde: v ; - • . . ' - " • " : " . \ ; • • ' •- _ • . - . . . ' . - . .
_ - / , . " t3i = 3 6 0 horas " • ' ' - : ' • . ' - . •/ . - ' ' - ' _ ' _ ' • ' / • ' ' • " .
• • ' . ' • t 3 2 ".= 2 4 horas • • . ' • • - . ' : -" . -
p2 = .Potencia asociada con el montante averiado.
El tercer sumando, 0.5 G3 , toma en cuenta que-al fa
llar el montante se interrumpe toda la barra durante
O,o horas mientras se aisla la falla.
4.2,3.2 Otros esquemas de subestaciones
<3-i = p _ x M x -i- (1.11 )y * > • p ^ ^
Donde:
p, - 0.07
13
p¿ = Potencia asociada con la barra,
p = Potencia total de .la subestación.
El tiempo total de interrupción es:
. : .H 3 .- G S . X Í I B • , . ' " - - . ' . . ; . ; - / v .' : • (1.
Donde: . - • • • . " . . ' • • • • • :. . - ' - . ' . • .
- , 'tg = 0.5 horas . " - • ; • . . . ' • ' - . . '
Se estima en O.o horas el tiempo necesario para ais
lar el -montable y establecer el servicio. ' . .
4.2,4 Averías simultáneas en montantes
4,2.4.1 Avería en un montante mientras otro montante dé la
misma barra se halla en mantenimiento.
G, = P¿i x N x . /(I
Donde:
= Probabilidad de falla = O.OO04
M = Número -de montantes de la barra
p¿ =. Potetncias asociadas a la barra .
pr = Potencia total de la subestación .
14,
~ • Pz ' , x ^Ht> =• G^ x t* x — + 0.5 G« (1-14)
Donde:
t ^ = 48 horas (tiempo de mantenimiento)
P2 ' = Potencia asociada al montante averiado.
0,5 G 2 = Tiempo de interrupción de toda la barra". -
mientras se aisla la avería. -
4.2.4,2 Avería de un montante mientras otro montante está en
reparación. ' : - . •"-_ , . . . . • . . . - " " " - " ' -
V x ' N ' . x ' - .; .. . . • " . . - . . ' - ' ( 1 . 15)- * i • . - - ' . . • - • • - • ' . . .
Donde: • • • -• . " • •
p ! ^ " = Probabilidad de. ralla =.0^.0002 ' .
N1 = M - j . ' \ . _ - • " •
pf = Potencia asociada a la barra.
PT = 'Potencia total de la subestación
El tiempo total de interrupción es :
Psx t1,. x — + 0.5 GS (1-16)
Donde ; • "t 1^ = Tiempo total de interrupción/avería =
36O horas , .' '
P2 = Potencia asociada al montante averiado
15,
0*5 G* = Tiempo de interrupción de toda la barra rnien
. tras, se aisla la avería \.
Finalmente; .
^-/ -f T *f > " .' " • - • ' . ' " . , . v * I ' j
. '. • H ¿fT = ,H 4 -f H1^ . ' . ' . ' • " ; • . (1.18)
4.2.5 . Averías simultáneas en barras . . . - :
Aplicable a configuraciones- con barras de reserva., do- -
. . - ' - b le barra o anillo. .: • • ' " - ' . ;."" • • • ' '
Donde:
p5 = O.OOO3 . .
b L = Número de barras .
P¡ = Potencia asociada a la barra.
PT = Potencia total de la subestación
H3 = G5 x t s (1.20)
Donde: .
t5 = Tiempo de interrupción = 12O horas.
16-
a.
(1.22)
"nS-t
:HORAS. ANUALES DE INTERRUPCIÓN
Considerando estas posibles averias se tiene que.•••-í .
K = G( -f G 2 -f G 3 + G^ + G5
(número de averías por año) t f ¿' * *>
YH = H, + H 2 -f H3 + H^ -r H 3
(horas anuales de interrupción)
^, GRADO DE FUNCIONALIDAD
1, -w^"^r^Se considera una medida de la. confiabilidad de^servicio
al inverso de las horas anuales de interrupción y se mi
de en años de operación de la subestación por hora de
.interrupción,
H
COSTO ANUAL DE DESPERFHCTOS
a. 23)
Determinando el número anual de averías y las^horas a
nuales de interrupción se procede a calcular el., costo'a
nual que representa para cada posible esquema^ las po-~" }•sibüidades de desperfectos y averías durante el período
de operación de un año,
17.
Cea = K. x Cp x PT + H x Ce x PT (
Ctía = Costo anual de desperfecto»
K = Número de averías/año.
. CP = , Costo por unidad de potencia interrumpida.
. - . • . " • " ' . - . ' . ' ' : • : . .(US $ 2ÓO/MWO " • ' " ' - . ' - - , - " ' , '
. : . " " • ' PT. = Potencia total interrumpida, ' • - • ' .
, , H . = Horas anuales de interrupción.
- - Ce = Costo por unidad de energía no suministrada,
(variando entre US $ 14/MWh. y 200/MWh.)
4.6 : COSTO"TOTAL Y COMPARACIÓN ECONÓMICA '•' ,
. . Para cada posible esquema se ha determinado con an-
• " . terioridad., el costo anual de 'recuperación de capital^
que sumado con el costo anual de desperfectos nos dará
el costo total anual que servirá de me'dida para la com_
paración económica y la selección del esquema definiti-
vo para cada subestación, en un proceso que considera,
tanto las inversiones para el equipamiento como la con
fiabilidad de la subestación., analizada a lo largo de es
te estudio de averias.
4.7 ESQUEMA SEUECC1ONADO
En base a los criterios y fórmulas anteriores se han
realizado cálculos para cada uno de los esquemas de la-
" Figura 1.4, analizando el costo de energía interrumpida
18.
a US $ 14, 5Oj 1QO y 200 el MWh. El costo de MW.
perdido se ha fijado en US $ 200/MW. l_a Tabla 1.2
resume estos cálculos en el que muestra además el eos
to anual con intereses del 8 %', 1 O . 5 % y 1 3 % .
Corno podemos ver de la Tabla 1.2, considerando a US
$ 14 el MWh perdido,, el esquema más económico resul
ta el del' anilloy- luego ..'le sigue el esquema mixto, es
decir doble barra en 230,Kv. y barra principal y de
transferencia en 138 Kv. Al considerar el costo de
MWh interrumpido a US $ 100, el esquema más econó
mico resulta ser el de doble barra en 230 Kv. y en
138 Kv. seguido del esquema de doble barra en 23O Kv.
y barra principal y transferencia en 138 Kv. Analizan
do este Cuadro podemos resumir en lo siguiente:
Al subir el precio de MWh interrumpido el esquema de
menor costo anual es un esquema más completo-es de-
cir el de mayor costo inicial., pero como podemos ver
el esquema mixto es el que se presenta como la alter
nativa más económica,, si compararnos con el esquema
en anillo el cual tiene un menor costo inicial, pero ca
racterística de operación y especialmente de protección
complicadas 3 lo cual hace que este esquema no sea el
aconsejado para esta subestación,, al compararlo con el
de doble barra en'los dos patios de maniobra vemos
que este es un poco más caro (costo inicial) y sólo es
19.
más económico cuando el costo de energía sube. INE
CEL_ ha seleccionado el esquema mixto,, por las razo-
nes anteriormente indicadas,
5. DIAGRAMA UNÍFILAR ' '-
El diagrama unifilar de la subestación Boliche lo rea,
lizamos .en base al esquema elegido., Figura I.5¿ com -
. ple.tando con el resto'del'.equipo característico de una
subestación., ver Figura 1.6. ' - . . ' ., . . -, . . ".'-' - : • • • •
Este diagrama nos servirá para el diseño y disposición
' • • • - de equipos en.la subestación. - . - . ' • ' • _ : ' . - . . : : " • . " .
'6. " . UBICACIÓN DE ESTRUCTURAS ' : ' ., V/ ; - •" . - ; . v . " " '
Ua ubicacion.de estructuras lo podemos ver en las Fi
guras I.7-A y I.7-B, las cuales nos muestran la plan
ta y corte's de la subestación Boliche respectivamente.
' ^vT^ i-s^w^^ T^P^T^Mg• " •'• ••"• " ir!- "• . - < --> i. .V¿
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CAPITULO II
SISTEMAS DE TIERRA
.1 , INTRODUCCIÓN
El sistema: de' tierra en una subestación., desempeña un
papel muy importante en cuanto a la seguridad del per
.sonal'y del equipo instalado.,, pruebas realizadas han de
mostrado que :al momento de' una fe.Uá," la corriente ha
cía tierra producirá gradientes de potencial que pueden
ser muy peligrosas. La Figura II,.1 nos muestra una
distribución'de .este tipo de potenciales (Referencia-. 4),.
El propósito 'del sistema de tierra puede ser resumido
brevemente en lo siguiente: . . - ;
•- puestas a tierra para protección contra sobrevolta
jes externos y de maniobra.
El sistema de tierra estabiliza los potenciales del
circuito con respecto a tierra y provee medios pa
ra un buen despeje de fallas a tierra.
Puestas a tierra de las estructuras metálicas y e
quipos necesarios para dar seguridad al personal
. (Referencia: 5).
Una alta resistencia de tierra con una gran corriente
de falla pueden producir voltajes en la superficie del
22.
Un buen sistema de tierra es aquel de baja resistencia,
y una adecuada-capacidad Lde':conducción de corriente a.
tierra. Para la adecuada protección contra ondas de
sobrevoltaje, una baja resistencia es importante, tal que
- - ^ alfcas_ corrientes pasen rápidamente a tierra, de otra ma.
-, - * : _ ñera estos altos voltajes^ producirían averías en equipos ,
y en la aislación de las Ifneas. "
Efn el caso de cortocircuitos, una adecuada, capacidad de
I 'conducción de corriente es escencial, pues el sistema,
-está expuesto a conducir-corrientes pesadas, las cuales
xJetyen" ser díscipadas a tierra para no dañar al equipoi» - . • - - * -
ni poner en peligro al personal, una buena puesta a tie__~ i ~f _
rra- ayuda a la operación de relés para el rápido despe_
_- je de fallas a tierra. Finalmente diremos que un ade-
cuado sistema, de tierra puede usualmente ser justifica-
do desde el punto de vista económico, cuando la. segurj_
dad del personal está garantizada. A pesar que el costo
puede ser alto, esto probablemente representa un por —
céntaj'e 'pequeño comparado- con' el' costo total de la sub-
estación, .la protección de la vida humana desecha- cual-
quier consideración de costo, . .
2. ESTUDIO "PE RESISTIVIDAD ; ; : ';
2.1 :. , •; TIPO DE SUELO
La conductividad, de la superficrie .de tierra es muy baja
23,
comparada con la conductividad de los metales., pues el
suelo cieñe gran cantidad de óxido de silicio y óxido de
aluminio que son exelentes.-aisladores, la~ conductividad
en la tierra es de tipo electrolítico, por lo tanto depen
derá en gran parte de la* cantidad de. sales., de la hume" - -, ^ v , - -: —dad y otro tipo de elementos ^conductores que pueden esr
tar en el terreno de la subestación. " «•
K
Se recomienda que el tipo de suelo del sitio de la subes
tacíón sea investigado, pues- la. resistividad del suelo va
ría con la profundidad desde la superficie, con el conté
nido de humedad y con la temperatura, del suelo (Refe —"" *~ j -i ~ >
rencía. 6). La frecuencia de. agua, en la superficie no
necesariamente indica baja resistividad. lia_Tabla..II. 1
• (Referencia; 4) nos da las resistividades de los diferen-
tes tipos de suelo..
TABLA- II . 1
_^. _, __ ResistividadTipo de Terreno
promedio
Suelo orgánico húmedo ' . - " . . " - . ; " 1 O > u " m , . .
Suelo húmedo • ' • - ; • ' • . • - . - : - - . - . . ~ 100jx.m
Suelo'seco . - , - /' ' . - - : , . 1.00O/i_rn
Manto rocoso : . / • . " :' : ' ' _ ; . - -- .'. .10*.n m
Bstos valores solamente son aproximados y son validos
24.
ct*ando el terreno es homogéneo hasta por lo menos 3
'metros de profundidad _, pero nos sirve para más" o me
nos saber el rango dentro del cual estarnos y as t pues
al terreno de la Subestación Boliche lo podemos calífi
car como un terreno Centre, tipo orgánico-húmedo"y "^hú-
medo, • "-" '" /" : ."" ." .^-! -" ' -="- : '" -„-"•"
2.2 MEDIDAS DE RESISTIVIDAD •
L_a resistividad ha sido, medida, "en dos oportunidades^en
el sitio mismo de la,-.-subestación., la medición se ha rea
„- ,^ ^,%lizado empleando el método. Frank Wenner., que estable "
cerque, se entierren cuatro-electrodos en Ifnea^reata^ iv *;¿£¿K,.. • -" • . ; '••''' ; '"':•'• '".'• -":- . • :l^-"r^A - ' ~"
gualrneirfeéE:;íesFj3aciados a una dis.tancia A y enterrados a
una .profundidad B, la cual-': es .pequeña en relación a la
-distancia A aproximadamente_, Á • '=- 20 B.
Para, las mediciones se colocaron ,dos electrodos por los
cuales circulará corriente C, y C2 de la Figura II. Q. y e
lectrodos de potencial F? y F^ en la Figura II, 2, los cua
les están conectados a un Megguer, de balanceamíento
nulo,, el instrumento mide :la diferencia de potencial (v)
entre los electrodos Internos y la corriente '(-I) .qué cir
cula entre los electrodos exteriores y calcula la resis
fcencia (R = — ) y nos da la medida en ohmios; balan": •'•••'•• ' ; ' ' ' ~• ' ,.,
el Megger hasta que la pluma nos indií^Se'O, y de
esta, medida podemos calcular la resistividad utilizando" -«• » »^**~
. . . • . - • - . • • ' • -^ ^grla siguiente formula (Referencia: 7):
25.
1 +
4FAR
2 A 2 A
VA + 4B ;-'.V..4A + 4B
(II,1)
Donde:
*"*" * P — Medida de resistencia.,obtenida. ~. , -•
A „= Distancia entre electrodos.
B = Profundidad .a .IcLC-ual se ha-.enterrado el electro*- . • .do. ..
= Resistividad.
Generalmente B<^A y la formula se simplifica quedando
* de la siguiente manera:-
= 2 7T AR (ir. 2)
Las mediciones realizadas nos dan los siguientes Valores:
P^^iáSiáisiS--!'-••'-" •••" - "
' T A B L A ' II . 2
MEDICIONES PARA EL_ CALCULO DE RESISTIVIDAD
EN TERRENOS DE LA SUBESTACIÓN BQUCHE
• -Distancia entre./ ' • • • ' electrodos
• . - . ' • ' m
'"%• -••• ' - ^ . " - 5 - . . . - - 'v:-^;;;---:,--. - : " . - . _ - g . • ' ' ; " • • - - •
Resistencia media
- - _o_" . - - . .
. . o>éo0,38 ^W
Resistividad
.- ; •••"::/jq,;"rnt- " v -
" - • ./-^r"-"2V"r /-
P^^2
-'''""'-•"•*XSSS"' -A¿''"- *
26.
2.3 INFLUENCIA DE LA RESISTIVIDAD
La resistividad del terreno, es una medida que incide
grandemente en el diseño del sistema .de tierra:/"ya~ .
que ésta nos indicará la-forma y tamaño de .clicho'.sis
tema, y es un factor que puede ser tratado'"" "para me- •
jorarlo o mantenerlo constante. - ."--; . ::..; !;; -\" ;'.'
En caso de que. la resistividad sea muy grande .,-esta -"-- " ' . . ' . ' • ' - • . . ' . ' • • ' • ' ' > . ' - '• - ' ' r-~ : • • " • . ' " • .-•^^N'." ^'.
puede ser rebajada, haciendo • un tratamiento del-bér^re,,,*;.*. • - •. ' " " . • • • • - • ' • - • • '. - . • - • ' • • -'' -t-sgj'
• • - " • • • - . . - ' • " ' • ' . - • • • " • : - . ' , - : « . - • - . - ' • : . . - ' • - . . - . : " .^v?no donde se va a construir la-subestación^. ::las. resis-
'iiividades del suelo decrecen colocando sal. disüelcá en '
la tierra; la conducción en el suelo .es. prirleip'al mente " - •
"electrolítico, tal que el contenido de-sal: afecta,-'^a'dical
mente la resistividad.., por lo. tanto, también la bantidad
de agua lo afecta de manera importante. ' . . - . / . ' . " - . ; • _ . .
El tratamiento químico es un método para rebajar- y
mantener constante la resistividad. , " > ' • ; " " " : • • -
La resistencia del sistema de tierra varía de' acuerdo
con el cambio de estaciones, pues se ve influenciada
por la temperatura y la humedad. La resistividad pue^
de ser reducida .desde .un 15 % a un 90 % dependiendo
..sobré todo de la contextura del' terreno (Referencia; 6).
Existe un número de tratamientos químicos 'adecuados a
27
este propósito, Los más comunmente utilizados son;
tratamiento con sulfato de,magnesio _, sulfatp de cobre..
y con sal cornún^ los cuales no tienen efecto corrosi-
vo/ todos estos materiales se los coloca alrededor de
los: el ectrodos .. v- " • . : " , . .
El tratamiento químico ño es permanente y los elemen
tos agregados pueden ser evacuados' por las lluvias y
el drenaje natural del suelo: dependiendo sobre todo^de
la profundidad a la cual se entierre el conductor, y la
.cantidad-de lluvias que afecte .'la zona.
'EL-"sitio para la Subestación Boliche..no es un lugar que.
tiene una resistividad alta¿ y tampoco tiene variaciones• ' • • - - • • - . ' . • , , - ' ' • ' ; ' • . . :'•_:'•.-:-• -' ' ' • . ' ' -<S* t s
de temperatura severas _, por lo tanto no hay necesidad
/de -realizar ningún tratamiento y lo único a. considerar
se será un factor.de seguridad para-corregir este e —
'.fecto. • " ' , ' •
DETERMINACIÓN DE LA MÁXIMA CORRIENTE A TIERRA
3,1 CALCULO
.Es necesario determinar la mayor corriente hacia
rra que puede originar una falla. INECEL ha.-realizado
estudios de cortocircuitos (Referencia. 8)j ellos nos in-
dican que la mayor corriente producida por falla fase -
28.
tierra es en la barra' de 138 Kv. Esta corriente -.se la cal
"cula por medio de la" siguiente fórmula (Referencia: ,4):
3 E
3 R 4- 3 Rf -f- (R, + R2 + Ro) + j (X[' -f XL + Xo) v ' '
Donde: f -
I" = Corriente de cortocircuito para falla fase-tierra,
E — Voltaje fase-tierra.
R . ' - : - - • - - — '. ' Resistencia 'del sistema . de. tierra•.
R p = Resistencia-de contacto ^
Hl — Resistencia de secuencia positiva del sistema.
Resistencia de secuencia negativa del sistema.
Resistencia de secuencia cero del siscema.
.X" = Reactancia subtransitoria de secuencia positiva
del sistema, \^ '•"*
X2 - = ' Reactancia :de secuencia negativa ...del sistema.
Xo = Reactancia, de-secuencia cero del sistema.
Generalmente:
3 E v " - ' . " " " •T'.' =
I (X'(! -f X2. 4- Xo)
"A continuación damos las corrientes de cortocircuito; ca_l_
culados en los estudios, (Referencia: 8). ., . "T •
29,
T A B L A .II , 3
CORRIENTES DE CORTOCIRCUITO A TIERRA
ANO
1979
1983
"1'987
1990
CORRIENTE DE FALLA F
Barra 138 KV. (Amp.) Barra
5.4-15
9.015
11.650
12.800
-ASE-TERR'
230 Kv (Amp
3.615
6 . 269
8,505 v %'
9.55O
¿\
3.2. CORRECCIÓN
La. "corriente calculada debe corregirse por un factor
llamado "factor de decremento" el cual depende del
tiempo en el cual la falla es interrumpida,, este factor
toma en cuenta el efecto transitorio de la corriente, a
continuación damos una "Tabla con este-factor.
T A B L A , II . 4
Duración de la fallaT (seg.)
Factor de decremento
' • ' • - • -D . ' " • • : . i / . J - . .
. O „ 08
0S1
0,25
O,5 o más
1 .65"
1 .25
1 .10
1 ,00
30.
La corriente a tomarse en cuenta en el diseño 'del' sis
terna de tierra , es el siguiente: ~ ' : • ; - . . .
(H.4)
En donde-- ' • -i- ' ~ *.
I — Corriente afectada por el factor de clecremento." "
D = Factor de decr emento,. - - — ; . . l
I11, = Corriente calculada. ' *,* X£\e factor será considerado en nuestro diseño.
DISEÑO PRELIMINAR DEL SISTEMA DE TIERRA -
T* Como ya. comentamos anteriormente., el sistema de tía
:rra debe ser diseñado para dar seguridad al. personal
"que trabajará en la subestación. Por lo tanto"; es- nece
sario considerar todos los 'factores al res pecio.. Po -
tenciales :de paso, 'de contacto y de malla'? los '.''cuáles '-"
-pueden ser peligrosos por las corrientes que pueden
circular por el cuerpo humano, ' • *
••#•'•
4,1 CORRIENTES TOLERABLES
Estudios realizados respecto al tema han sido realiza •
tíos analizando la frecuencia, magnitud, y duración de
la-corriente que fluye a través de áreas vitales del. ;.-"•
cuerpo. - • ' . ' . . , - • - ; . - . . . . . - ' " , " ; ' ' • • • " • " " • " ' • • "
\ , -, r -rirtfjfrl •-
'•'.'i'':.*::''* S '-^fi^'^fj:'-^-:''¿^^J^
'• -. ''••:^-^:^{\^^S^
Frecuencia
Al respecto se concluye qus el cuerpo puede tolerar co
rrientes .de magnitudes mayores si ésta es de baja fre-
-cuencia., que corrientes de alta frecuencia. 'Corrientes
de 25 ciclos pueden ser cinco veces mayores" que a,v6O
ciclos (Referencia: 4). - - , ^\" r'"'
En el caso de corrientes- de rayos., el i cuerpo
puede tolerar -corrientes 'relativamente alcas del orden
de cientos "de amperios-. *•"*
4.1 .2 '•Magnitud \" ' ~
La magnitud de las diferentes corrientes se. han anali
zado con el tiempo de duración_,''generalmente/'corrien
tes de un miliamperio. son aceptables/ corrientes de
hasta 6 mil-iamperios no. causan, daños-pero.-pueden pro
ducir reacciones musculares involuntarias, .altas:vcorrlen_
tes de 9 a £5 miliamperios pueden producir .fallas de
control muscular (Referencia: 9); corrientes más grandes
pueden ocasionar contracciones musculares :;que".hacen.. - . . ' • • ' } . . . , ,•/,• • . . 'muy difícil la respiración, en la mayoría .de los casos,
los efectos no son permanentes y desaparecen, cuando
la corriente es interrumpida,, a menos que la corriente
sea muy severa y la respiración se pare no por segun_
dos sino-por .minutos ¿ aún en" estos casos responden a
métodos de resucitación., sin- embargo, corrientes más
¡altas pueden ocasionar la muerte debido al daño..ciel co
razón, ocurrido por la fibrilación ventricular. La Fi-
gura -'ir. 3 nos indica el valor promedio de fibr' ilación.
3 Üuracion
La duración de la corriente a través del cuerpo, es un
.factor de primer orden para los efectos de ésta en el
cuerpo; generalmente corrientes relativamente altas pue.-. _^ t „ íK> —
den ser soportadas, sin causar fibrilación siempre que
;.la duración :sea muy corta.
Se concluye que el 99.5 % de los hombres pueden so -
portar sin fibrilación ventricular, corrientes de magni-
tud dada oor la siguiente fórmula (Referencia:. .4):
TK't = 0.027
IK =0.165
CU-
(II. 6)
En donde; . . -
IK = Corriente a través del cuerpo en amperios. . :
. -Kv-; '= ' .165 (de una serie de experimentos) para ..una ;
; probabilidad de fibrilaclón de O.O05 (Referencia;<---.•• • • : - • - - • • • ' %''';-;7^?%í^"V-':;"..•--'' '"•- . - • " . Q^ • . - - .- '•- • - • • • = • • •' ' -. - - • *JJ* , - - - . . - - . - . • . . • ; ' •
• - - • - - ' < - •',<- >.-:-"•-" •:
t = Tiempo de duración del shpck(como máxirno, ;3
• ,:_';.-'.O-?.:;;;_segundos). ; ; \, " : ' • " . : • * • * V ;, :;^ ' ^?rr ''; '':-''r~-^•••-v:¡
' " ' '&&&^&£&-:'-ri?1:'":jí^W^-^ '"^- r '• "^""'•'"S&£^^\fec<:^'-./-'
$$&)¿$.W)¿tpí'r-":: .i&yííV¿í--.¿-^.;"ífrf—— - ^ •
33,
Es necesario pues, que el tiempo de despeje^ sea.-rápi
do»
4.1 ,"4.. . Recierre , •"t" í " -~ ^~~•Cj g^*^ _ i t - • . . . • , __ •
- - .Es. común en aparatos modernos tener un recierre auto
mático rápido j por lo cual puede ocurrir que- la perso-
na tenga un segundo shock aproximadamente-a medio/se
gundo después de la primera falla? lo cual puede irnpo
sibilitar .que la persona se libere. Sin embargo, estu
dios ~ realizados indican que shoks sucesivos1 'no r tienen e
' fectos acumulativos en cuanto a la susceptibilidad" da la
< ~ " fibrilación del corazón. _ ~ , - > J. V
. . . . " , -N" ^ ,- ' - „ ~ ",
4.2 DIFERENCIAS DE POTENCIAL TOLERABLES " ' ' -
4.2.1-' :;.. Potencial de Paso
Es la diferencia de potencial tolerable entre'dbsJ puntos
de la superficie de la tierra los cuales pueden estar en
.contacto simultáneo con los pies de una persona-, la Fi
gura II.4 demuestra el circuito equivalente establecido
en un potencial, de paso. . , - - . . ,
• ; "' ; - ^ ; - / . ; ^ y r " : " . . .Un valor de potencial límite es encontrado pa*ra,\és'Ca
condición considerando la distancia de un pasov.al:¿cml
se le ha dado la magnitud máxima de 1 .metro, . La;co
34.
: ' ; - ; • • - . rriente en este caso circula del un pie-al otro.
4.2.2 Potencial de toque
*-f-'"$3*x¿<¿ Es la diferencia de potencial tolerable entre un punto
de la superficie de la tierra donde un hombre puédeles
tan parado., y .un punto de la estructura a la cual pue,—
de estar tocando con la rnano, esta diferencia de. póíen
-cial es peligrosa pues ocasiona circulación de .borrtén-
te de la mano al pie atravesando partes vitales- del cuer
po, . • . ' " . " . . "
La . Figura 11,5 nos da el;-circuito equivalente establecí
do en un potencial de toque.• - , ... • ' . .- v • - • • • . . . ' - >
4.2.3 Potencial de transferencia
Este potencial se produce cuando una persona está, to :—
cando un conductor que está a tierra en un-punto/, ruerno
•-tOj este potencial puede ocasionar circulaciofñ^de corrien^ • . v-T" '"• -• • ' "
• té. a través de órganos vitales del cuerpo/la Figura -
II.6 nos da el circuito equivalente de esta situación. Es_
te puede ser considerado como un caso especial del .de
contacto. - • • " . ' : : . .'•':;••• -. •/
La'" magnitud de los potenciales tolerables pueden' ser
calculados, al resolver los circuitos equivalentesj'-rías .
constantes de estos circuitos pueden tener los siguien-
tes valores;
Resistencia de- los dos pies en serie =. 6
Resistencia de los dos pies en paralelo = 1.5 -/*-
Para propósitos prácticos la resistencia de caria pie pue
de ser asumida como = 3 -rL
La resistencia del cuerpo es muy .dlfTcil establecer, 'se/
consideran rangos de 500 a unos pocos miles de ohmios,
asumiendo 50O ohmios, tendríamos un valor seguro, pe_
ro 1.000 ohmios es un valor razonable. (Referencia.; 4)
'Substituyendo ^aproximadamente- las constantes de los, cir
cuitos,. y el valor de corrientes tolerables de la ecuación
II..6 y calculando nuestros potenciales tolerables, tendré
mos:
,- _ (1 .000 + 6¿) (0.165)
(II.7)
Asumiendo ñ = 3.0OO .m .
, ) IK =
-165-+^'"
0.5
36.
•' 1 <s F vQ-'165> - 165-r 1.5 ,ñ - - - -
" • , ; ""."• . . : " CII-8)
;: . ' " • / ; . : ' " - :- . ,-•- . :" ' : tes• •+ .o.25 x s.ooo - . - ' " - . - ; . ' : •' • • • - ' : • ' " ' ' - •.£tb'«.t-.i--=-.-:" • • • : ~ • " = " . • • ! .299: V.. • . . - / • ; ' . - - ' . • _ ; ' '
5. ;. " .SISTEMA DE" TIERRAS ," " - ' . . '• '. ' • " ' . . . - ' • - . . -
. . . Existen tres clases generales de sistemas de tierra
... - que pueden ser empleados en una subestación¡ a sa -
ber: Sistema Riadialj Sistema de Barras o Anillos y
'•.-'':'- • - Sistema- de .Grilla ,o Malla. A continuación daremos
conceptos .básicos de cada uno de estos sistemas:
5.1 . :. . SISTEMA RADIAL . -.. : ,
Un tipo de sistema radial es ilustrado en .la Figura II.7
en la cual podemos observar lo siguiente: los cuatro
grupos de electrodos están colocados en la periferia del
área ocupada por el equipo.
La longitud del cable para conectar los equipos a los
• electrodos tienen suficiente longitud para ocasionar caf
da de voltaje, existen también dos pequeños grupos de
electrodos, el uno para conectar los pararrayos y el
otro cerca a la casa de control, Con el grupo de elec
trodos localizados a considerable distancia del grupo
37.
de conexiones del equipo,, la longitud de. las "conexiones
de tierra puede resultar excesivamente considerable; la
alta innpedancia debido a estas longitudes pueden inter-
ferir en el flujo rápido de la corriente de falla a tierra.
El tipo radial se usa en .algunos casos donde- las. condi-
ciones del suelo son adversas y"-.que. las características
de éste permitan que-a. muy corta distancia exista te -
rreno con mejores condiciones de resistividad donde se
colocarán electrodos conectados a .conductores de tierra.,
de la subestación, . . . . . : , _ . - •
SISTEMA EN ANILLO. _ : ' ' .. - •
El sistema de anillo/ el' cual, está demostrado en la. Fi-
gura II.8j ofrece marcadas ventajas con respecto al sis
tema radial j en este sistema, un lazo o anillo de conduc
tor es instalado alrededor del equipo .y estructuras de
la subestación, a éste anillo están conectadas todas las
puestas a ti erra del equipo y estructuras', en forma ra
dial o de sublazos,
La longitud de la conexión entre estructuras y anillo es
relativamente corta y a causa de las numerosas trayec
torias paralelas y conexiones , la resistencia efectiva es
menorj además la cantidad.de conductores minimiza la
posibilidad de falla de la conexión a tierra.
38.
5., 3 SISTEMA DE GRILLA
El sistema de grilla es ilustrado en la Figura II.9; un
- cable continuo rodea totalmente el sitio de la .subesta-/
.ción tratando de obtener la mayor área posible y se co
.. . locan cables paralelos de.tal manera que forman una
rejilla, todos los cables están unidos y usualmente se
colocan electrodos en esas interconexiones,. . / ,. "
Este sistema tiene mejores ventajas que el anillo., pues
ofrece mejores condiciones para .conexión, de los. equipos
a tierra; los-conductores paralelos ofrecen mayor nüme..
. ro de caminos para la disipación de. la corriente a tie-
rra mejorando la conductividad y reduciendo la resisten
,cia_, de esta manera se asegura que la elevación de po
tencial no alcance valores peligrosos.
5,4 SISTEMA ELEGIDO . . .
Considerando los tres, sistemas generales de puesta a
tierra de la subestación, el tipo de malla es probable-
mente el preferido desde el punto de vista de la eficien
cía de la puesta a tierra y del control de la .gradiente,
Sin embargo, los sistemas radiales y en anillo tienen sus
aplicaciones particulares y pueden ser utilizados para
instalaciones económicas pues son menos costosas que
el sistema de grilla, "
39.
El sistema de tierra elegido para la Subestación Boli
che es el de grilla porcias siguientes razones:
- í_a gran cantidad de equipo y estructuras 3 las cua .
les deben tener una buena.' puesta a, tierra, exigen
que varios conductores pasen cerca de ellos. ..-./ ':L
. ' - L_a alta corriente .de cortocircuito, la cual debe pa.
sar rápidamente a tierra, y .hace-. necesaria una ba— .
ja resistencia de puesta a tierra/. \• " . . . •'•'•'-. -.' -
• . . . - . - . L_a necesidad de .un excelente control de. la gradien1
te, lo cual ; exige una superficie" lo más- equipotencial
posible,, y una longitud de conductor apreciable., a— .
. , . • demás la importancia misma de •'. la subestacióny exi
. . g e un rápido despeje de falla a, tierra . • - .
6. CALCULO DEL DIAMErTRO DEL CONDUCTOR . "
El calibre del conductor de .cobre" puede hallarse apli— -
cando la siguiente fórmula (Referencia: 4):
S = . (II. 9)
33 t
Donde:
S = Área de la sección recta del conductor (en cir_
cular mils).
40.
I = Corriente máxima de fa.Ua (en amperios),
t - =' Temperatura máxima, en las uniones de la ma-
: ." lia en °C (para uniones soldadas en. 45Q° C y .
• para conectores atornillados en 250°C).
Ta = Temperatura ambiente en °C (generalmente
' ; . :40°C). .-• , . - " ; . : . . " . ; / - : ; " - - : ^ : v ' ; " . ^ - - :' '."•:"'.:..':"'^' :
t = Tiempo durante el cual se aplica la corriente ,
I (en segundos)..' . ' . • ' . '". ' ."• . " ,.""-"' • " • " •
El tiempo de duración de la falla puede ser de--1 'segundo•-
Para . disyuntores1 de alta- velocidad., este tiempo pue "
de ser de 6 ciclos,;; asumimos 1 según do. obteniendo asC
un cierto margen de: seguridad. . ' .. - - ; :
._ 13.000 x "-T.2 . - - ' . " 15.6OOS "—•
33 (i seg.)0033
La labia 11,5 (Referencia: 4) nos muestra los calibres nrrí
nim"os -de los conductores de cobre para evitar daños en
el conductor para diferentes corrientes.
41..
TABLA ' II .5
CALI&RES 'MÍNIMOS-.DE CONDUCTORES.. DE COBRE
PARA EVITAR SOBRECALENTAMIENTO .
' . ' , CIRCULAR MILS/AMPERIOS . .:,-.-.
Cable • **Cables desnudos "Cables desnudosde falla - , • , - . . - - • - - : . - ... -.- : • . .. desnudo con uniones sol- eon juntas ator—>(seg O - • . • - . - • ' • . , • ~ ; . . •.„ - : - •'
. • - ciadas. . - • . . . . ... nüladas. - -.
3O
4
. 1
0.5
40 . - - , ' / •
14 ; • ; -: '
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5 ..•''•••
- -••-.:.;..- 50 . . . . : • - : - - _ . : -
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>.:2¿" . . - ; "• • • " ' " - --12-- ' '"- 'V';- - ,- • • ' , 8'.,5 • - • " ' • ; ; " -•;.".-;,.! ;
Utilizando la Tabla tendremos:- . ' ' . ' " - . .'. ;.•'- .
S = 12 x 15,650 = -'187 MCM
El conductor a utilizar será el 4/O AWG que tiene una
área de 211.6 MCM y que tiene un diámetro de 0.52811
(í .34 crn.-).
7. LONGITUD DE MALLA . .
La Figura II. 10 nos indica las-dimensiones y forma pre_
líminares de malla del sistema de tierra para la Subes_
tación Boliche,' .- . .
42,
No consideramos la-longitud de las varillas*
Para el control de la gradiente el diseño del sistema
de tierra deb.erá ajustarse de tal modo que la longitud
total de los. conductores enterrados incluyendo las vari
lias sea mayor o igual al-dado por la siguiente-fórmu,
_ Km Ki / I VT" "1 6 5 +.0.25A • - . - ' ' • ; . ; . - : " " • • - - ; " , . ' . • • - ; k " ^ . -
- -Donde: . " ' . • . ' . / ' , " • • - . _ ' _ . - _ :,--~._ ; -;•- , •'.-'• . • . " .
L = Longitud, total del conductor, enterrado incluyen •
do la longitud de varillas... . •" \ • " . ' " . - .
I , =. Corriente eficaz .máxima (en amperios) que Rui
rá dé la rejilla en conjunto hacia la tierra r es
ía. es la corriente de. falla más desfavorable.,, a-. .
fectada por el decremento y el factor de amplia •
ción,, como se indicó antes..
f = Resistividad promedio del terreno (en ohmios m)
3$ = Resistividad del terreno en la superficie (tipo de
tierra que tocan los pies'en ohmios, m"),
Kn> = Coeficiente,
K i = Coeficiente,
7.1 DETERMINACIÓN DE COEFICIENTES Km Y K¿
El coeficiente Km toma en-'cuenta las consideraciones de
la malla en cuanto al número, calibre y disposiciónj
43.
está dado por la siguiente fórmula;
K- = irln i 6 x h D x d + F ln
Donde: • " ' • ;. • . - . _ • • ' . - ' • •.-. '.... . . . . . . [ , - " " . -
D = Separación : entre conductores de la malla (Figu—
" ' ra: 11,11)— : ' . '• .. '"•'-/ . . [ ' ' • - ' • • - . - """"••-;V- . " ' / - ' •
d = 'Diámetro .del conductor (m).- . .
h = Profundidad a la cual están enterrados .los con ;—•
: ductores-.de la malla, (m) • , "• . -" ;"" .• :••-• . : ' . " ' ' ' . - ' . ' • •"- . - . ;
El número de factores encerrados en .paréntesis- debe ser
'igual a (n — 2) siendo n el número de conductores para .
lelos en la rejilla básica tomados en una sola dirección..
Asumimos: : . " / • • ' : . • - - • .
h = 0.30 m. '.' " . ; .
b = 5O m¡. . ' . -
d = 1 .34 cm. .. . '
_L , so - i_ . rs.v§vz_>.2 16 x 0,30 x 1 .24 x 10 n. Q
Krn = 1..49
*
El coeficiente K¿ es un factor para corrección de la
irregularidad toma en cuenta la distribución irregular
del flujo de corrientes a tierra. Un.valor de 1 .2 a
44-,
1 ..3, puede :ser usado (Referencia: 4)., - pero este valor"
probablemente es insuficiente para: cubrir el efecto de
las esquinas; y su valor puede ser calculado por la..si
guíente fórmula empírica;
K ¿ ' = -' 0.65 + 0;172. n , •"" (II..12) -' - - . • * ' ~ - ~~
,. TV
Siendo n el número de conductores paralelos-en~ cual —
quier dirección.- ./ _
Si las mallars no están "unifobmerhentet espaciadas, puede
encontrarse el producto Km x, K¿ para formas aproxima
das a las que se. indican en la Figura U. 12~ ' **
Deberá seleccionarse" la malla que más se aproxime a
la malla, real que se está diseñando, deberá, tomarse;-en
cuenta el valor máximo y por lo tanto más desfavorable
encontrado, en • estos diagramas.
Utilizando la fórmula II..12, tendremos:
Kt =.0.65 + 0.172 x 5 . ; ' . - 7 ". . . ;:
K C = 1.51 ' . . . . . . " - - .
De acuerdo á la Figura "11*12, : malla C ; . K m " - K £ = 1.78
K.¿ = 1.16 pero asumimos el valor de. 1 .51. para mayor
seguridad.
45.
7.2 - .-CALCULO DE LA.LONGITUD
Asumiendo:
f — loo-t-m por seguridad,
t =• 0.5 seg. (puede -ser menos).
I = 15.6OO amp. - " ";
fs =
X1 .49 x ^ .5-\ 1OO XA15.6OO
- 165 -í-0.25 K 3,000
Esta longitud, calculada, esr menor que la del diseño ffsi•* , •"-* J - —""
co, de ésta manera tendremos mayor seguridad. *-
f " r * w . - i - - ' ^ _-8. RESISTENCIA DE. LA MX\LLA - / ' " . * v ; *\a el cálculo del valor de la resistencia, existen va.
ríos' mátodos...
8.1 MÉTODO DE LAURENT Y NIEMAN
En el. caso de una malla enterrada en la superficie del
terreno "se puede "considerar a esta equivalente • a una:su_
perfície conductora, circular. Con el :área igual al .área
cubierta por la malla. La resistencia se calcula con la
siguiente fórmula (Referencia: .4 )
R = + • - CU.13)
46.
Donde: . . . "
R = Resistencia aproximada de la red de -tierra (-^ )
= Resistividad del terreno (en ohmios-m)'
r = Radio del círculo con una área igual al de la ma
lia de diseño (en rn). . -
L = Longitud total del conductor, enterrado, incluyen—
do la longitud total de las varillas (en m).
Área de la malla' V 200 x 260 =- • 52.000 rru
100 1004^x128.66 2.76O ' : : .
: ' ; R ' = 0.2305 • ' ' - . ; • ' " ; - " - . • ' . '•""- " - ; / ' . • ; .
8.2 MÉTODO DE SCHWARZ -; , . ' '
Este método (Referencia: 11) calcula la resistencia de
-una malla con la siguiente 'formula: . .
R = _ ( l n - K, - - KZ) . .(11.14)
Donde:
= Resistividad del suelo en ¿i- rn*
U = Longitud de todos los conductores (m)..
/a x 2Z para conductores encerrados a
ni . ,.
2a = Diámetro del conductor (en m.)-
47.
A = Área cubierta por los conductores (m2 )
K / y Ki = Coeficiente obtenido de las Figuras 11.13
y 11.14
a' = y.1 ,34 x .10 .x 0,30
.= . o.63 x tq' m
A = 52.000 m2* . " • . , V -
VA = 228 m. ..
K, = 1.35 -
'Kz = 5,8 . -. . .
L_ = 2,760 m*.
1°° ^ 2 x 2.760 f • _ ¿ - .2.760R = 2.760 °n 0.063 + 1-35 x.^^,,-5j.8)
•R = 0.25 ohmios : ' • " - .
La resistencia de varillas enterradas en el suelo y co_
nectadas puede ser calculada por la siguiente expresióní-
[Donde:
L. i = L-ongifcud de cada varilla (m)0
2b = Diámetro del electrodo (m).
n = fslúmero de varillas colocadas en una área A.
l_a resistencia mutua entre la resistencia de la malla y
48.
"la de las varillas será:
R - *' =-^~(ln— + K -^--K ri- 1) (11,16)
La resistencia combinada de varilla y malla., será:
..RU...-2R* • • ' . " . . . ^ -'•:". - • " ' • ; <n-17?'Donde: . - .
R u = Resistencia de la malla . ;
Rn ¿= Resistencia d e varillas . . - " . " ' " , . .
R u — ! Resistencia mutua . • .
R = Resistencia combinada - . ' • • _ - . . . . . . - . . - ' • "
El diseño previo de la malla de tierra de nuestra subes
bación no contempla él-colocar electrodos a tierra, '
La resistencia calculada por los dos métodos anteriores
tiene valores similares.
9. MÁXIMO AUMENTO DE POTENCIAL
El aumento máximo de potencias de la red respecto a la
tierra absoluta, se calcula por la siguiente fórmula:
E = Rí • • - (11.18)
49.
Donde: ' •
E =. Potencial máximo al que llega la grilla respecto
a tierra (en voltios). . - . '
R = Resistencia aproximada de la malla de tierra (en ..
ohmios). . - - . • - : • . •
I : = Máxima corriente de falla que circulara de la: re
lilla a tierra (en amperios). • '••-. :- '- . ' ' - * ; " - ' -
E = 0,25 x 15.600 = 3-.9OO Voltios. .. .. , -
Si el potencial encontrado en esta .forma .no excede de la
tensión máxima E o que -puede soportar -una persona sin
sufrir daño alguno _ , ' e l diseño es ' correcto y no se ne. —
cesítará realizar mayores refinamientos^ excepto ^compro
bar la resistencia .real de la rejilla a tierra ya en- el ' .
campo y terminada su instalación * - . . . •
EJJ es el valor calculado, por la Fórmula H,8 que es el .
voltaje de toque tolerable. , .- .
En nuestra malla el potencial máximo de la grilla es
mayor que ED por lo tanto es necesario investigar lu_
gares y potenciales de mayor peligro., analizando los
siguientes potenciales: '
VOLTAJE DE PASO .
El máximo voltaje de paso está dado por. la siguiente fór
muía:
,fcí
Donde: -. • - : .... •
Épai-= ~ Tensión que se presente, entre los pies 'de - • •
una persona,, al dar un paso largo, .cuando
está circulando, la corriente máxima de falla
hacia l a tierra, ' • . . . . . ' - . • : ' . - . . '
•n,. K¿ ,-./ y 1 y U —" Ya se definieron anteriormente.
KS ."== Coeficiente que toma en cuenta el número, la
separación, el diámetro y la profundidad .del
. , conductor .enterrado y se lo define' en la. si-
guiente ecuación:. • r .; '-~ . . :
D
El numero de términos dentro del paréntesis debe ser
igual a n* ' .
El valor encontrado no debe superar al encontrado en
la fórmula ÍI.7 que es el voltaje de paso tolerable»
1 1'
I*
x O.SO ' 50 4- O,3 2 x 50 ' 3 x 50 4 x 5O;
-= -~ (1 ,7082) = 0,52
en.
= 1.51 x 0,52 x 100 A. m x 15'6°°_ 2,760 m
= 443.5 V.
E, par* 443.8.4-, 476
=:_ O.P99
Por lo tanto estamos- dentro de límites ^seguros5:
* * - • < > * ' - ' * — *i - \- ^ •**" ^ ^ r ^ - - j j ^ ^ i ^ ~ . ~POTENCIALES DE CONTACTO ' ,. ¿- f ^ : ^
De toque y de malla hacia adntro^del conductor externo
La siguiente ecuación nos da. el voltaje de contacto qcier
se produce cuando una persona toca una estructura., es
tando parada, en la superficie del terreno de^la. subesta
rSiendo:
Kx =
QT2/r l
— !
i l . , ^V1 Th d D*~
,2D 4- x, 3D + x.
' v 2D ' v 3D J ' " ' '1,
M L
= 1.61
0.3 x0.0134x 50
2 x 50 x X 3 x 50 x X2 x 5 0 3 x 5 0
4 x 5O x X^ 4x 5O
* 20)
52,.
>Ur .= ..••27.1.7: Kx . . V. • •, . . ;.;: v;:.¿:.; -;:;T.X ¿¿ -,;. vU:£¿:;r
El objeto, de .este cálculo es' para determinar;.el .poten- " .;.,
cial de contacto/en -varios, puntos./idéhb^pi fer--.cprrdúcfcQi -Ví";r/l'."-'
externo :.de la m lla/ vyet'-ma^r^v^ló^
;:tej intervalo será."et'.máxi a^ póté iat^e^^^
;és-'.>t Voltaje" desmalla ^F;ig;ura:::.• -\\Tr'^^^•^^¿^^•^-^y^;^^i^
- • • - - ' ' :-:- ' "• V-.1' ..-. -^TTÍA'R |.". ^Á-"'^:-^:T't'"-:'fi^^"':'-^^^1^v>>J~%:':V^ -^r'*. ' - • . - • - - , .'- ; .-1 I - A' Cu L - /r\i- • ./.\ Jj-- «. O -. .• - .---.: -:--." -"".. . J.\'~ -.- • . - , • • ! * • - • - - ' •. -..-. - - • . ' . "~--~. -
•-\-'C¿;^;VX";;>"
>-;^:''-:v:.í;"":P-r;V-'.;
1;;;-v"'-T:r:-..5""^v;
r¿'"'rv.'^.-fp-.-'ri, . ; .- '::'lK-:-VÍ:5.-i".-
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^^•^•fíSil?"^í'c^'Mít;-:C-"--v?ií;->-¿0;Í>
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- : - - . ' . - - . - . : l < f : •>.-!.
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^W^\S:¡-'$&ÍÍQQy-£^Í
3;á4v5i/í;35-:^
ss&r ^jííí¿;£9a.:,/-v&-^-;
298v;;r;/.;:^:-
sgé^VC;';.'
2:88 .vi"; . : . - : - : . ;
27i-':">:: .-;-;: :-;.:-
La curva de la Figura 11.16 puede darnos .el "valor de
Etr(¡1K a cualquier distancia desde el conductor.
El mayor potencial de contacto es de 1.298.58 y ocurre
a 18 mts ..adentro del conductor externo de; la. malla de
tierra. Este valor debe ser inferior que el valor de
53.
contacto calculado en la fórmula II . a Para obtener se
gurtdad necesaria;.
_ Q
E fco,« 1.298.58
Este valor no pueden ser aceptado-. _, "^ „-" ' J
Incrementando la longitud en 1OO"mts-, tendremos u ,
_ ** ^ ^ » " * v
Bto,tffi = 1.253 V. V - ^ -
^ ' L " ! ' ! - > *"
Este valor es aceptable^ está^debajo del^valor-^de poten
de. toque, tolerable. " -_ ". "- - ^ t
9.3 POTENCIALES DE CONTACTO EN LAS CERCAS1
En cuanto a los potenciales de contacto en las cercas
analizamos algunos casos los cuales pueden ser apltca_
dos en la subestación.
9.3.1 . Caso 1
Este caso que es~ el. más .comunmente recomendado y
consiste en extender la malla fuera de la cerca :.a. una
distancia de alcance normal de 1 m . (Figura TI. 17).
Aplicando la ecuación ÍI.2O:
54-
Para X = 0^ tenemos que:
= 421 .08 V.
Y como^ comparamos antes, estamos dentro de Ifmi'tes
, , normales y seguros1..^,;*' ^ ' •
9.3.2 Caso 2.
Considerando los potenciales de contacto con la cerca
colocada, directamente sobre el conductor perimétrico,
CFigura 11.18) * - " . : /
Aplicando la fórmula II.2O'para X =- 1,0 mfcs- tendre_
.r = 271.8 x C2-82-+ 0.02)
= 772.2
772.2 _ O 59P~ L l i 1 PQ4-tiz- fctwt tal - I • *-. >"i - .. . . . •
Estamos dentro de límites seguros-,
9.3.3 Caso 3
Considerando• a. la..cerca no contactada a la malla prin
55.
cipal pero con su propia malla, es decir un conductor
que encierre a toda la subestación.
L = 2 (261 -f 201) = ' 924 m.
Considerando Eto -t a; x = . t m. (fuera de la .cerca).
K¿ = 1.00 pero .para seguridad en:las esquinas asumi
" mos K ¿ = 1.15. ' : - • - . ' / " .
D = 201' m. - . . ' . " . . ' - ; •"; ' . - " • ' " - . • " " . ; ' • . " . " ' . ' - : - '" ' ' .
1.15 x-100 x 15.600 - : . : ~ - ; . ' . " - :
1 " (0.09-+ 1) (202)" -ln s ^-^- —
2 rr . (0.3) (1 .34 x' 1.0:1 x ; D¿ )
1-941 . 5 (0.8937) = - 1 .734,72 " '
1 .734,72 > 1 .294 no aceptable.
Aumentando el diámetro del conductor y la profundidad
e s decir: ' ' - " ' - .
d = O.O2O7 m.
h =• 1 .O m,
= 0.9491 aceptable.El hrr-'C t»
56.
Además ¡ podemos obtener un valor menor para el po-
tencial de .contacto si incrementamos la malla de la-
cerca colocando electrodos, aproximadamente cada 10
metros y de una longitud de 3 m/electrodo.
' . - . - - . - - - " • ' . • - . • " '924 ' -N- de electrodos = -TTT
. - ' . • . . ' . - • ' :' : ÍO.-
Longitud, en electrodos = 92 x .3 ; - 276 mts.
Y tendríamos: . . * . - ' - " . . " - / • • - . • ' . , ' • • • • " • " - . " " • " - • • • : - • : : - . ,
ET-t , , ,^-:=.- '• . i>495 x.0.63 - 941 V. ; " \-\-' .
Que es un valor.-más seguro. , ; - ,. •
9.3.4 Caso 4
Un método obvio de eliminar la peligrosidad de los po_
tendales de contacto en el perímetro de la malla es
el construir la cerca de un material no conductor.
Cercas de madera o de muros de ladrillo serían los in
dicado.s* .
Analizando las alternativas presentadas de acuerdo a los
resultados obtenidos concluímos que la alternativa más
segura ers la indicada en el primer caso., pero también
57.
podemos emplear la segunda alternativa sin ningún ríes
go3 la tercera resulta antieconómica, además de no o-
frecer garantías de seguridad. La cuarta alternativa
si bien ofrece seguridad, resultaría antieconómica.
9.4 POTENCIALES :DE'TRANSFERENCIA . . / - . -
Durante una falla que origina corriente a tierra el po-
tencial del sistema de tierra de la planta o subestación
aumenta considerablemente respecto al potencial de la ;
tierra remota que se supone nula. Esto hace que se
vuelvan peligrosos los circuitos o conductores que lie—
" • • - . . guen a una distancia apartada "de la red de tierra en •
cuestión, ya- que entre el extremo próximo a la red y •
el extremo opuesto pueden aparecer tensiones de va . -
rios miles de voltios. Es necesario prestar atención
a las "líneas de comunicación, rieles de ferrocarril,
neutros de sistemas de alimentación a baja tensión, _e
quipos portables y herramientas que se alimenten des_
de la subestación, tubos de conducción de agua, edif^
cios auxiliares, etc., podemos eliminar este inconve^
niente. colocando aisladores, transformadores dé aisla_
ción, etc , 3 que interrumpan el circuito*
En cuanto a las líneas de alta tensión, es necesario
.considerar la puesta a tierra de los hilos de guardia,
los cuales pueden ser de dos formas:
58
Si el hilo de guardia en cuestión está dispuesto a tie-
rra conectado a la red de tierra local¿ el mayor peli
gro, en caso de una falla, se. originará en lugares le
janos a la subestación.
Si el hilo de guardia está puesto a. tierra conectado en .
lugares remotos., el mayor peligro se presenta en la.. .
propia subestación, ya que en el caso de falla a tierra,
habrá una diferencia de potencial de miles de voltios
entre la red de la tierra y el hilo de guardia_, -y por .
' - consiguiente, entre el terreno de. la. subestación y la
estructura de la primera torre de la Ifnea de transmi
sión. . . . . .
: En nuestra subestación conectamos a tierra todas las
estructuras y especialmente de las torres de las líneas;
además consideramos que todas las torres de las U ~
neas tendrán su propia malla donde sea necesario_, de-
pendiendo de -la resistividad del suelo por donde .atra -
vieza la Ifnea, para de esta manera tener una buena
puesta a tierra =
1 o. CORRECCIONES V REFINAMIENTO DEL DISEÑO PRE-
LIMÍNAR
La malla de tierra propuesta cumple con casi todos los
objetivos para los cuales ha sido diseñado, es decir_, re
59.
ducir las tensiones peligrosas a Ifmites seguros para la
vida humana, dar un potencial de .tierra referencial pa-
ra una buena operación de los relés y dar. la protección
contra sobretensioness sin embargo, es necesario hacer
algunas correcciones y hacerla más funcional, este refina
miento se basa en ,Los siguientes puntos; . - - • • " • . ,
10.1 Llevar los conductores cerca al. equipo y estructuras . .
que se pongan a tierra realizando' las conexiones que.
sean necesarias. . " - " " , " - ' _ "
10.2 Colocar electrodos para puesta- a tierra de pararrayos
y en algunos lugares necesarios de esta manera tendré,
mos una buena protección contra sobretensiones, tanto
de origen atmosférico como de origen interno,
10.3 Para la ubicación de la cerca, analizamos algunas al-
ternativas , optando por colocar de acuerdo al caso-nú
mero ' unoj analizado en el iniciso 9.3,1 el cual nos da
garantías suficientes para tener el potencial de contac
co dentro de límites seguros..
10.4 El diseño definitivo quedaría como en la Figura II.2O
en el cual se ve que la longitud de diseño preliminar
ha sido incrementada a 4,85O mts., que ccmparada
con la longitud del diseño preliminar que fue de. 2,760
mts. se ha obtenido un incremento de aproximadamen
6O.
fce 75 % por refinamientos de acuerdo al punto 10,1 ,
obteniéndose de esta manera un buen margen de segu_
ridad. ~ £
'•v-.v-r^vr1';"
-fjcgurq IL-iCOIT'Í .entes y pDteiipicü<25 ql
mqllq
planta d& una gnlla típicademostrando c&nfcrnos
sección /\-Aflujo de,
potencial sobre un punro remotocíe. ¡03 pant'os de la superficieq |o Iqrgo eje A-A duranteun co)-|ocirculto
Ipqrq cjs
corriente;? cte ••fij?rilcicíón
'98-93
, 50
'aq.oí ^tí» GD"í 50
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cont
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C A P I T U L O I I I
COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO
El .problema del aislamiento de un sistema eléctrico es
ala vez técnico "y económico, los costos de los equipos,
están en relación directa con los requerimientos de ais
lación. - ' ' - ' . . . ' • • • • " . : ' . - - : ' ' • " • ' - " " ' - " • - • : ' • -•'-' --'-•'-
-El propósito, de la. coordinación' del aislamiento consis- • •
te en lograr la adecuación de los aislamientoa. a las so
licitaciones, que; pueden :ser -impuestas' por las tensiones^
• Estas exigencias se .deben, a la presencia permanente de• . • • ! . ' . ; . - . • " - . . . • . " . _ • • '
•la tensión de servicio y. a las'. distintas sobretensiones
a que el sistema puede verse • expuesto-,, las cuales pue-
den ser de origen'externó,, motivadas por descargas at"
mosféricas, o de origen, interno,, producidas por fallas
y ciertas operaciones del sistema, estas últimas se. cía
sifican a la vez en sobretensiones a la frecuencia de
servicio y sobretensiones transitorias .
Las aislaciones pueden clasificarse en dos grupos; las
autorecuperantes y las.no recuperantes,
En un sistema existen zonas en las cuales la incidencia
62.
2.1
de una falla .resulta- menos grave (generalmente con ais
lación a.utorecuperante)3 que si la felfea se produce en •
otras zonas (generalmente en. aislación no recuperante).
La'coordinación del aislamiento es' pues un arte y una
ciencia para determinar los mfnimos requerimientos
.del .aislamiento, para tener un razonable balance del
grado probabilfstico de riesgo de falla y del costo-mar
.ginal "de elevar .Tos niveles de .rigidez:-dieléctrica (aisla
miento) del sistema. . ' : ..' " '- • ' - . .
Existen dos factores fundamentales . en juego en el .estu -
dio de riesgos de falla, de .aislación.- '-Una1,, el conocí- .
miento- de las exigencias a las cuales pueden verse ex
puestas las aislaciones de, un sistema concreto y. otro
el conocimiento de la rigidez dieléctrica del aislamien_
to, : Estos dos fa.ctores son estudiados a continuación.
SOBRETENSIONES, . : . ' '..
Los sobrevoltajes que se producen en los sistemas eléc
trieos pueden clasificarse, atendiendo a su origen, en
dos grupos:
— Sobretensiones de origen externo^ producidas por
perturbaciones atmosféricas ,
63.
- Sobretensiones internas ? las cuales son producidas
por fallas y/o operaciones del sistema. •
2.1.1 . Sobretensiones de origen; externo . .
La consideración de estos sobrevoltajes- nos. conducen al
estudio de las descargas de rayos y sus características
• _ \' ' . " • • - ,. • . " " ; . - • • • ' . " . . - " - - . '',-•" " - . • • " •'• ''•'•'
Existen muchas teorías que explican la formación y des
carga del rayo, :pero casi todas1 concuerdan ,en indicar,
la aparición de centros'importantes de concentración de
.cargas negativas en la parte inferior de las nubes de
. . tormenta/ existen además capas de cargas, positivas en
.-• - la'parte superior de la nube y pequeras concentraciones
de cargas positivas cercanas a la base, creándose por
- tanto un campo eléctrico nube-tierra y produciéndose
por consiguiente la correspondiente concentración : de car
gas de signo contrario en la superficie de la tierra. A
medida que se intensifica la concentración _, aumenta la
diferericia de potencial entre la superficie de la tierra
y el centro cargado de la nube. El potencial de las nú
bes de tormenta se .estima, en el orden de 1OO millones
de voltios, el gradiente medido en las proximidades de
la tierra rara vez supera el valor de 10O v/cm. y en
la nube en cambio puede alcanzar valores; del orden de
10 Kv/cm. (Figura: III. 1-a) '
64.
La elevada intensidad del campo eléctrico originada por
el alto grado de acumulación de cargas en el entorno
espacial de un punto., es motivo, a su vez de que los fe
normemos de descarga tengan comienzo, naturalmente;
allí donde el dieléctrico 3 en este caso el aire atmosfé
.rico., está más exigido;, es decir, que alcanza el valor
crítico .de avería. '•..Este valor a nivel del mar;, y-en
aire seco es 30 Kv/cm..," pero en zonas, altas y con.-llu
vías, este valor se. reduce a la tercera parte. . ' • - • • - '.
La iniciación de :los rayos tiene lugar por lo general en
la nube, él .proceso se inicia en una, zona espacial en ,
donde, la densidad de. carga provoca'afluvios de efecto, co
rona0 Se designa con el nombre de.cabeza de guia a
este entorno espacial de acumulacion.de cargas..,.
La Figura III. 1-b nos ilustra el. proceso de. una descar_
ga_j que comienza con la formación de un camino ioni-
zado _, al progresar el movimiento de la cabeza de guta
llamado trazado piloto _, seguido de descargas a través
del mismo que van constantemente alimentando la con-
centración de la o de las cabezas guías, la cual tiene
una velocidad del orden de 15O Km/seg. Cuando esta
descarga. gufa llega a las proximidades del suelo se
produce primeramente una neutralización de las cargas
aportadas por ella y enseguida la propagación rápida '
del fenómeno de neutralización a lo largo del camino
65.
ionizado por la descarga guía. l_a activación provocada
por este proceso se evidencia mediante una fuerte lumi-
nosidad que se propaga de tierra a nube constituyendo lo
que se llama descarga de retorno (Fi-9ura-: III. 1 .c) la
cual viaja a una velocidad del .orden del 10 al 50 % de .
la velocidad de la luz, y puede tomar valores que, varfan :.
entre unidades a-cientos de kiloamperios; aunque la-des. •
carga aparece a nuestros ojos como una sola luminosi -
dad3 fotografías con cámaras rotativas revelan la. presen
cía de muchas descargas-repetidas, las cuales viajan- á
lo largo de la trayectoria establecida por la primera des
carga a intervalor de 0.5 a 50O ms, Ocurre frecuente-
mente 'que al llegar a la nube la carga neutralizante pro
cedente de tierra se produce un desequilibrio interno
que origina la descarga en otra zona de concentración >
estas nuevas descargas.de nube a tierra se denominan
dardo de guía y se propagan a velocidades del-orden de
1O veces la velocidad de la primera descarga gufa, cada
dardo de guía es seguido por su correspondiente descar-
ga de retorno (Figura III. 1-d).
Se ha establecido que un mayor numero de descargas se
realizan dentro de la nube, como también de nube a nu-
be,, que entre la nube y tierra» La relación entre des-
cargas en nubes y descargas a tierra varfan entre 1.5
y 3 en zonas templadas y de 3 a 6 en zonas de clima
tropical.
•66.
2.1,1.1 Características de. las descargas eléctricas
En general las corrientes originadas por descargas at
mosféricas tendrán una forma de onda similar a la de
la Figura III, 2, Estas ondas se caracterizan por te-,
-ner una porción inicial de alto, valor y de corta .dura-
ción del orden de .1 a 10 us, llamada frente de, onda.,
seguida de una porción de bajo valor y relativamente
larga duración (cientos de'milisegundos) llamada-cola
de onda responsable de daños térmicos.:
Basándose en muchas investigaciones, se han obtenido
curvas que indican la distribución de las magnitudes . - - .
de corriente (Figura: III,3).
Otra característica importante es el-tiempo de- cresta
de la onda de corriente (Figura; III.4). Existe la evi
dencia de que corrientes de. descarga muy .grandes no
coinciden con tiempos de cresta muy cortos, datos de
campo indican que el 50 % de las corrientes de des -
carga tienen una pendiente que excede de 7.5 KA/us. 3
y el 1O % excede de 25 KV/us, La duración media de
las corrientes de descarga para el. valor del 5O % de!
valor de cresta es 3O us. y el 18 % tiene tiempos me_
dios más grandes que 5O us ,
Estas corrientes de descarga originan sobretensiones
67.
las mismas que tienen una duración muy corta., pero
•por sus magnitudes resultan peligrosas, obviamente es
necesario proteger el equipo y "las instalaciones de es-.
tos esfuerzos y las ondas deben llegar a la; subestación
con la menor amplitud y con la. menor pendiente "de '
frente de onda que sea posible. ' '. ' ' :"-••- ' . ' ; ; ; :;; ., " • - " .
2 .1,2 Sobretensiones Internas ' " . - . ; V ' '. . V
•_ Estas sobretensiones-son provocadas por alteraciones :.en
la configuración funcional del propio sistema'. : - . - - • . . . -
Estas modificaciones constitutivas pueden producirse a
consecuencia de fallas o por operaciones (maniobras)
dentro del sistema; un cortocircuito, la .apertura o cié
rre de un interruptor son fuentes de estas sobretensio
nes. • " " ' • • - • " . • - . ""•"
La incorporación o supresión de una parte del circuito
da ocasión a un fenómeno que puede descomponerse en
dos etapas sucesivas en el tiempo. La una que es de
características transitorias que en un lapso generalmeri
te breve, pierde entidad, se atenúa y desaparece; la o_
tra es una condición de régimen permante (seguridad).
Generalmente los fenómenos transitorios constituyen el
paso de un sistema desde un estado estacionario a o —
68.
tro también estacionario/ este paso nunca puede ser
instantáneo pues siempre existen fuerzas que se opo-
nen al cambio de estado'de reposo, o de operación u
niforme * . . ' .
-Los sobrevoltajes internos pueden:'pues clasificarse de
/ acuerdo a su duración .en: '. . . . . . ; . ' . i - " : -"
— Sobretensiones a frecuencia industrial. " • ' .-_•-
— Sobretensiones -transitorias. : , " • - • ; . . - _ ' • ; . - : " . .
2.1.2.1. Sobretensiones a frecuencia industrial ;(STF), " " •
Llamadas también de frecuencia nominal son los sobre_
voltajes que se presentan en el sistema3 que permane-
cerán constantes -a no ser por la operación de elemen
tos que los regulen o eliminen y tienen la frecuencia
de operación del sistema* En consideración a éstas so
bretensiones anotaremos las siguientes causas principa^
les; . ' • - • ' ' " - " ' " .
a. Por pérdida súbita de carga
Estas se pueden producir debido a sobrexitación
por demora momentánea de ajuste en la exitación
de los generadores, y simultánea aceleración de las
máquinas, como consecuencias de desconexiones
69.
drásticas de sectores importantes de carga.
La acción de los gobernadores de velocidad y los
reguladores automáticos de voltaje restituyen las
condiciones de operación normal en un tiernpo reía
tivamente corto. La magnitud de estas bensiones - , .
no es determinante en la selección del aislamiento
del sistema de transmisión y son del orden de . . .
0.65 a 0,75 -de-, la tensión línea—linea. . '.". '• • '•'•''.'.'•.'. :: . •
b . "Por conexión unilateral de líneas largas. / ' . . . ;
, Durante la reposición de líneas, se realizan .mc-difi
caciones momentáneas del sistema el cual va pasan -
do/por etapas intermedias que aunque normales en
sí, no constituyen configuraciones definitivas de furv
cionamiento habitual. Durante estas operaciones '
pueden producirse tensiones más, elevadas en algu-
nos, puntos , Por el efecto Ferranti, una línea lar
ga en vacío puede presentar. elevación apreciable de
. tensión en el extremo desconectado; la sobreten -
sien puede ser aún más grave si la tensión no es re_
guiada en el punto de energizactón de la línea.
Dentro del caso de línea abierta en un extremo ¿ ca
be considerar también líneas que aún estando en va_
cío tengan conectadas inductancias transversales de .
70.
compensación o capacitancias en serie y/o' trans-
versales. En general el análisis debe abordarse
conociéndose como datos la impedancia de cortocir
cuito vista desde el extremo del sistema al cual ha
brá de conectarse la ifnea no energizada y por su-
puesto las características que definen la lineaj la-
magnttud de la'sobretensión depende de la'potencia
de cortocircuito existente en el extremo de .aiimen.
tacíón. . ; - - • _ . ' • • • ' . . . ' • " . . - .
c . P o r fallas a . tierra. . ' " . . . : ' • • .
Estos defectos son otras de las causas de sobreteja
sión¿ un parámetro que incide en forma .notable en
la magnitud de la corriente de falla es .Aa forma
de la puesta a tierra. Estas conexiones, no tienen
ningún efecto en operación .normal pero en condicio_
nes anormales .interviene preponderantemente. Si
se conecta el neutro sólidamente a tierra 3 la mag-
nitud de la corriente-será muy grande, aunque la
de los sobrevoltajes no es representativa; por el
contrario si el neutro es aislado las sobretensiones
alcanzarán valores altos- Existen condiciones ínter
medias., al intercalar una impedancia entre el neu-
tro y tierra, con el objeto de limitar la corriente
es pues motivo de estudio la elección de la forma
de puesta a tierra (en la Subestación Boliche tos
71 .V-
neutros de los autotransformadbres están- sólidamen
te. puestos a tierra). " : - - '
2.1,2.2 Sobretensiones transitorias (ST~T) ' . . - . - .
. .Estas sobretensiones llamadas también de-maniobra- tie'••"
" nen muy poca duración., "pero tienen gran influencia en •
. . la determinación del aislamiento,, especialmente en sis- .
temas de extra alto "voltaje.'.,".";:..' ."• :-. ; i"; ' ••-. ;..-;: "-_.'"---. '.''';''• ' : " • - . - . ' •""• '
Estos sobrevoltajes se- producen .al igual que los de • ; ' " '
frecuencia normal por operaciones dentro- del -Sistema, :y:
. s e superponen a estos. Los cas os.^ que deberán- estudian
se con mayor interés son los siguientes. (Referencia; 'Í3J
- Interrupción de líneas en vacfo. ' -, : . - - , ' • . - -
— .Corte de potencia en extremos delineas. ' • • " .
- Corte de carga en extremos de lfneas._, seguido de
, corte en el otro extremo. ' • - • . - . . . .
- Despeje de falla debida a cortocircuito en extremos
de lineas .
- Desconexión monopolar en lineas. . .
— Cierre de.lfneas previamente conectadas a transfor
madores en el otro extremo. ; V
- Cierre d e líneas e n vacío, ' • . ' • • •
- Cierre de líneas con cargas residuales (reconexión).
— . Cierre en oposición de fese.
72.
De una. manera general puede decirse que los fenómenos
derivados de operaciones de apertura (corte) no -resultan.
demasiado graves en la. práctica moderna, al disponerse
de interruptores libres de reencendido. . :
.'La -'forma," 'magnitud y derivación de estos eventos, varia
rá en una" gran gama.' de" valores ^'-dependiendo -sobre to—
do de las características y configuración del sistema y
del tipo de maniobra, .(Figura, III .5) . . " ' • . . - . " - - " •
La magnitud de los sobrevoltajes de manionra puede- va
riar para un mismo tipo de operación dependiendo del
-punto. en el cual la onda' de corriente o voltaje quede. ~
cortada , podemos por lo tanto asumir que las condicio
nes para producir valores máximos de -voltaje s.e pre-
sentan con muy poca frecuencia: la. Figura HI.. 6 nos in -
dica curvas de frecuencia de distribución de las máxi-
mas sobretensiones. ; . . .: . , ' -
Factor de Sobretensión Interna .
Se define como factor de sobretensión interna al pro-
ducto
.x K
73,
Siendo:
V „= ractor de STí
V"KT .= —-7 = Factor de ST~
Donde: "'; . . . ' . - . • . . - • • - . , _ _ " ; . ' - • - . v - . - , • • . ' : . .
V .=' Tensión de cresta después de producida- la con
. ' "tingencia'.que origina la STFV . . . . " . .
V =. Tensión de resta antes de dicha contingencia.
V" = Tensión de cresta máxima del fenómeno transí
torio. - ' ,. ' . ' • - • •
- '- T • 'v ; • , . - • . ; . ; . . . , \ .. .
2.2 . ESTIMACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES /
2.2.1 . Introducción - • ' . . .
El conocer la magnitud de las sobretensiones es "muy
importante desde el punto de vista de la selección del
aislarr.tentó3 esto nos permitirá conocer aproximada -
mente el comportamiento del sistema con respecto a
estos eventos, para de esta manera no sobredimensip_
nar los aislamientos.
La tensión nominal del sistema' tiene gran importancia
74.
- en la elección del tipo de sobretensión que determinará"
los niveles de aislamiento de un sistema. La Figura
III.7 nos indica esta distribución. .
Si tomamos como base una corriente, del rayo de 1OO .
KA. y-una resistencia "de. pie de . torre de 10 ohrriios., ,te
:' nemos un valor de sobrevoítaje .de origen externo de
1.000 Kv.., por otro lado, 'considerando.las sobretensio
-. nes .de origen interno^ será necesario tener un sobrevoí
' . . ' . . taje de 5 pu, ,en ;el .nivel de 23O Kv. 'y 3 pu en .138 Kv,
para igualar' el valor :de sobretensión externa. .-El" so-
brevoítaje de'origen" interno en la línea,.Paute—Boliche.
- (23O Kv..) es de £.47 pu. (Referencia: ^15)., y de-.4 pu.
/ en la Ifnea Boliche~El Oro (138 Kv".).- ; . - .
2.2.2 Sobretensiones externas . . : . -
El origen de las sobretensiones externas está vinculado
a la existencia.de descargas atmosféricas., por lo tanto
la probabilidad de/que estos sobrevoltajes existan están
en relación directa con la frecuencia y cantidad con que
se presentan estas descargas. Es pues muy importan-
te disponer de datos relacionados con el acontece*" de
estas perturbaciones, una medida que nos indica el nu-
mero de dfas tormentosos por año es conocido como
"nivel ceráunico" de la zona., tomándose como dfa toi—
mentoso el día en el cual se escucha un trueno aunque
75.
sea una sola vez; esta medida resulta pues un valor pro
medio de las descargas, datos más precisos sin embar
ge resultan más difíciles de conocer, ya que necesitaría
rnos gran cantidad de personal y equipo para realizar
estas mediciones, lo cual resultaría muy costoso, ade-
. . máSj existen zonas, en las cuales el numero de ,dfas de
• . tormentas eléctricas 3 pueden variar mucho de un año a.
ptrp, por lo tanto el nivel ceraunico es un índice que
: puede ser manejado con prudencia. ' En nuestro pafs los
. . datos obtenidos son muy escasos e imprecisos, sinem —
bargO' la Figura III.8 nos muestra un mapa con los nive_
les isoceráunicps del. país. - "
.•;• ' . ETl problema de predecir el comportamiento de una Ifnea
frente a descargas atmosféricas es muy complejo debido
a que las perturbaciones dependen de las probabilidades
de combinación de ciertas condiciones que deben estar
presentes simultáneamente; pues existen, parámetros de
los cuales dependen la severidad de estas ondas frente
al aislamiento de la linea. Ua resistencia de pie de to
rre, el lugar donde ocurre la descarga, si es en medio
vano, en la torre o en conductor de fase, la magnitud
de la corriente de descarga, la superposición de ondas,
ecc. son ejemplos de estas condiciones variables.
2.2.2.1 Numero de descargas en una línea-
El número de salidas de una línea debido a rayos es di_
78.
rectamente proporcional al número de descargas en con
tacto con la línea. La evaluación de este parámecro ha
.merecido .muchos estudios:, existen diversas formulas
empíricas para su cálculo, que dan el número dev des-
cargas por 100 Krns, por año,, a continuación expone —
alqunos de ellos,
Para torres de aproximadamente 30 metros;
N L = 62 C~TD)/3o (Referencia 1¿-)
V.
N L = 2.7 h CrD)/3o (Referencia- 14)
Para torres más altas:
(III. 3)
(4 h + b) (Referencia 17) (III.4)
Nix q
-10
,^ _ . _ .(Referencia 13) . 5)
Siendo-
N L = Descargas en la línea por 1OO Kms. y por año.
TD . . = • Nivel ceráunico de la zona por la que atravieza
la línea.
Ki = Coeficiente que: puede variar de 0,25'á Q.5.
^ K a = Coeficiente empírico local (varía de -O;M 2 a
O.Í8)/ ," •
b = D^s^ancia entre cables de guardia (O si existe
un solo cable de guardia). ^^%* ^
77.
h = Altura efectiva de la Ifnea 3 la cual es calculadar ~~
por la siguiente fórmula':
• h = h - "2/3 (h - hgw) (111,6)
-•Donde:
h t -. , =
hgw •'•=
Altura del cable de guardia en la torre,
Altura del cable de guardia a me'dio va-^ *• - **
no, ' * %
(ver Figura III. 9)
q •* = Ancho de faja cubierta por la Ifnea la cual puede• - "fl^^-V^^- ""•--'•
ser calculada de la-siguiente maneja: „ " * * * - ,
q = 2a -^ b para líneas de una terna, j—""^ t
q = a 4- b/2 si se refiere a una terna de lineas de dp_
ble terna.
-Siendo;
a = \/2Hh -
..Donde; , " . . , " . - - :!..:.-,"";.:"." . ' . ;.
H = Altura (en metros) desde el suelo (o la .distancia
. " « / ; • • - • • ' . • vertical o inclinada) a objetos prominente^ Ique
' , : • • - pueden alcanzar la cabeza de guía de lav^já^^r--,.^
78.
ga piloto de rayo (H puede tomar valores entre 60
y 100 mts,)
NOTA: todas las dimensiones en metros, ; • ;
.2,2.2 Descargas sobre conductores de fase ' V, .
Aunque las líneas de transmisión que conectan a la sub-
estación Boliche tiene cables de guardia que protejerán
a la linea de descargas directas., sin embargo, existirá
una cantidad de descargas que llegarán a los conducto-
res de fase^ produciéndose los mas altos sobrevoltajes,
El momento en que la cabeza de guía alcanza al conduc
tor.de la Ifnea se produce una descarga.con un drásti-
co cambio del estado de cargas preexistentes y el con
siguiente cambio del campo eléctrico circundante y cp_
mo consecuencia la iniciación de ondas móviles de ten.
sión y de corriente que se propagan .hacia ambos .lados.
Estas ondas se caracterizan por la. elevada gradiente en
el frentey considerable amplitud de valor de cresta y
duración reducida, la mayoría de ellos da origen a ar_
eos de contorneo en cadenas de aisladores resultando
por lo menos en defectos fese-tierra.
Un valor aproximado del potencial del conductor en el
punto de descarga puede ser calculado fácilmente por .
la siguiente fórmula:
79,
V = 1/2 IZ0 - , . ' . . (111,3)
Siendo: , -. .
I = Qorriente de descarga. ' • '
Z0 = Irnpedanc-ia de onda de>la Ifnea. . . , . - :
2.2,2.3 Descarga sobre cable de guardia y estructuras,. -" • •
En este caso la corriente tiene un camino, de discipa-
.ción más fácil . hacia tierra., dependiendo de la efica — "
cia de la puesta a tierra de. las estructuras.. "Aunque. '
el potencial creado en este caso es mucho más bajo.
con descargas a los conductores^ existe la modifica -
ción drástica del campo eléctrico, -la creación de- on— .
das móviles de tensión y corriente que pueden produ-
cir la descarga inversa . . ' - .
Para el cálculo aproximado.» el circuito de la Figura
III , 1 1 puede ser utilizado. -
El potencial en el punto de descarga será:
V = IZ = I0Z/(1 -f Z/Z5) (III. 9)
La corriente I variaría muy poca de la corriente Iopa_
ra la cual datos estadísticos como los de la Figura
III *3 han sido encontrados-
30.
A continuación analizamos en forma rnás precisa estos
tipos de descarga,
a. .Descarga en la torre . . .
L_as corrientes de; rayó err el canal de descarga y
"• en la. torre .fluyen casi perpendicularmente a las '
- de los . cables de.guardia y conductores_,.. haciendo
muy difícil el conocimiendo de. los efectos de moví
• miento mutuo de cargas-.en este circuito al .no es-
tar dentro de la teoría convencional de las ondas
viajeras.,, que considera solamente ondas en conduc
tores paralelos/por lo tanto el cálculo del voltaje
al cual está solicitado el aislamiento será en base
a la teoría de campos., asumiendo dos componentes
de voltaje la una debido a la corriente que entra
en el sistema torre-cable de guardia., y la otra de
bido a la carga sobre la torre. Él efecto de la
primera componente es preponderante en ondas con
.frentes cortos (hasta 1 us.), mientras que la influ
encía de la segunda es para ondas de frentes más
grandes (sobre los 2 us.)* Métodos más prácticos
consideran solamente la primera componente y la
experiencia justifica esta simplificación,
Para una descarga en la torre, la impedancia de
onda terminal es la resultante de la impedancia de
onda de la torre en paralelo con la mitad da la im
pedancia de onda del equivalente de los cables de
guardia Zg¿ el potencial en la cúsoide de ta, "torre.5
considerando la ecuación, "III. 9 será: " . '
V = 4- - (111.10)
Donde; __
Z¿ = Impedancia de. onda del cable de guardia.'*• -
~ZL t = Impedancia de onda de la corre.• ~**!
impedancia varfa a lo largo de la torre3 *se
puede sin embargo, calcular idealizándola a un co-
no o un cilindro . _~ '- „ *. ,
Idealizando a un cono se tiene;
30ln2(1 OHM . (HI
Idealizándola como- cilindro se tiene:
Z = 60 ln<h/r)+ 90 r/h - 6O OHM - (III. 12)
Donde; '
h = Altura de la torre,
.r = Radio equivalente (perímetro medio dividido
para 2IT ), _^ l ,1
82,
El voltaje en la cúspide de la torre puede ser mo-
dificado .por reflecciones desde la base de la torre
y eventualmente por reflecciones de torres adyacen
tes. • . . ' • . • " • - . .
Cuando una onda de rayo ingresa en el cable de
guardia el voltaje y la corriente, que por .él circu-
lan, inducirán una onda de la misma polaridad en
cualquier conductor paralelo' de fese cuyo valor se-
rá igual al voltaje en el cable de guardia multiplica
do por un factor K.» llamado' factor de acoplamiento
considerando un cable de. guardia y "un" conductor .co~
mo en la Figura III. 12.. . " • -. . . .
Los voltajes serán: • - * - '
v2 = (Z, i /Z , / -V, - ...K v, ' (ni.13)
Donde: • ; - . - . . '
v¿ = .Voltaje en el conductor-
v¿ = Voltaje en el cable de guardia,
Z // = 138 log 2 h;/rj (III. 14)
Irnpedancia de onda del cable de guardia . .
Z | 2 = 138 log b'ia./á,¿ (III. 15)
33,
Irnpedancia mutua del cable de guardia y conductor ,
El voltaje a través de la cadena de aisladores será:
vx = O - Ky'VT " . . . . . • - - . - - - (111,16).
(K puede tomar valores entre 0. 15 y "0,30^ Referen -
• cia: 14). . . . . . . - / , ' - - ; - . ' - • • • ; • ' ' , ,
.El colocar dos cables de guardia .,. produce la dism_i_
.nución de los "potenciales tanto en la cúspide de la
torre como a , través de la cadena de' aisladores _, re
duciendo la impedancia de onda '. (la equivalente de ;
' dos cables de guardia es menor. que de uno) y .mejorara
do el factor de acoplamiento (es- mayor para dos ca
bles de guardia y un conductor), respectivamente, -
Otro parámetro que incide en la reducción de los
voltajes en la cúspide de la torre es la resistencia
de puesta a tierra de la torre, por las refleccior.es
de signo negativo desde la -base, mientras menor
sea esta resistencia menor será el voltaje en la
cúspide de la torre. . . .
b. Descargas en los cables de guardia ,
En este caso asumiremos una descarga a medio va-
34.
no., el voltaje en este punto (por la formula 111,9)
será;
- lo Zg/(1 -f Zg/2Zs)
y el voltaje entre cable de guardia y conductor se
rá: . ': .. .".' '. ' : ' - -• • " ' . " " . ' . * . •; . ,. " • " - . ' " . • ' " • - _ '
O "- "*<) VAÍ " ^ ' • • ; . ; CIII. 18)
Este voltaje es más peligroso que el anterior pues
el tiempo de; reflección de. una onda es ' mucho más
larga^ que desde, la base de una torre., por esta ra
zón la distancia a medio vano entre conductor.de fe.
se y cable de guardia tiene que ser mayor que en
-la torre., sin embargo, el fenómeno de predescarga
disminuye la diferencia de potencial entre conducto-
res y cable de guardia . disminuyendo asi la probabi
Hdad .de descarga en medio vano. . " . .
Asumiendo que no exista avería en medio vano la on
da de V y KVr* viajarán a las torres más cercanas
donde serán modificadas por reflexiones. Del circuñ
to de la Figura III , 1 1 encontramos el voltaje en la
cúspide de la torre., el cual será:
r ;+ 1/2
85.
y el voltaje a través de la. cadena de aisladores
vendrá dado por la siguiente fórmula;
V ¿ - = (1 - K) Vfl/(1 + .ZJ/2Z.O . . . : - ' - - - -(111.20)
Como .en el caso anterior esta fórmula puede ser. . . -
reducida por reflexiones desde la base/ la magnitud
de este voltaje es similar .al. del caso anterior .y ' " ' . - .
puede originar fallas a tierra. . .. : ' . :
2.2*2.4 Atenuación y distorsión de ondas de rayos
El efecto de atenuación y distorsión resulta necesario
considerarlo cuando la distancia que viaja la onda es de
algunos vanos _, este efecto, es beneficioso en cuanto a la.
disminución en magnitud y pendiente de la onda viajera,
Este efecto tiene importancia cuando se calcula la am_
plitud de una onda que entra en una subestación des —
pues de viajar de 1 a 3 . Kms . -
a. Efecto corona
La atenuación y distorsión son causadas por perol
das de energía y efecto corona. Para frentes de
onda escarpados el efecto pelicular en los conduc-
tores y las trayectorias de retorno por tierra pro
86.
ducen alguna atenuación y distorsión., pero la más
drástica, reducción .es producida por el efecto coro
na. Como las ondas de voltaje son siempre de ma
yor amplitud que el voltaje- de corona (Ve), las des
cargas por efecto corona no solamente producen
pérdidas de energfa-.sinó también .disminuyen la- pen
diente del frente.de onda que 'es 'mayor, que el vol—
taje corona como se muestra en la Figura ITI.13-a.
Se ha demostrado que el .efecto corona' puede ser " . - . .
tratado matemáticamente _, para, cada ' valor de volta..
je (V) .en el frente de. .onda que exceda Ve /--se deri .
va la relación entre, el retardo ( A t) y" la distancia V
de viaje.' (D). . . . - _ . - " . . " : " - . . . - " :;-:-.' . y" ' • ; . . " . ¡ .' - " V •
At/D = (K/uC) (1 --Vc/V) •-. ; ' - (III. 21)
Donde; - . . " - , .
K = Constante empírica determinada en pruebas.
C = Capacitancia del conductor en uF/m .
u = Velocidad de propagación para V ^ Ve en
m/us , .
El voltaje Ve puede ser calculado de la siguiente ma^
ñera:
2/ - "
Ve = 1 ,66 x 103 n m KdV (1 + 0,3/VF)/KbC (III.22J
87
Donde-
n =
m =
Kd =
C ~
Kb -
Número de subconductores en el Haz.
Factor de superficie del conductor (normali -S ' "
mente 0,7 - 0.8).
Densidad relativa del aire.
Radio del conductor,, en cm, _ ^ a^
Capacitancia en al conductor^ en uF/m.
Relación entre las gradientes superficiales
máxima y medía para conductores bundle.
La capacitancia puede ser encontrada en tablas^ o-T-.
con la siguiente fórmula simplificada _ " , 7
C = 10 /4-1 .6 log (2h/re )
Donde: , -
h = Altura promedio sobre la tierra en cm.
r = Radio efectivo del bundle en cnr.
r n, £ñ-ij/rt.
sen
Donde:
A = Distancia entre subconductores adyacen testen
cm r .T" "
cuando n r y. Kb = 1 ,
88.
b. Distorsión causada por forma .de. propagación
. Un efecto adicional de distorsión existe en líneas
de multic'onductoreSj se puede analizar este proble
ma considerando los voltajes componentes de líneas
y componentes de tierra,, que tienen diferentes • velo
• cidades de propagación y atenuación ^ para ondas bá
jo el voltaje de corona los componentes de Ifnea tie
. nen una .velocidad cercana a la de la luz, y su dis—
torsión es despreciable3 mientras que los componen
.tes de retorno por tierra dependen de la resistiví —
dad del terreno, si. la conductividad, fuese perfecta _,
la velocidad sería la. de la luz. En la .realidad se
asume que la distancia efectiva del conductor a su
imagen es incrementada y la velocidad correspon ' —
diente es reducida. .
Considerando tres conductores que llevan ondas de
voltaje fase-tierra Va , Va } Vs , la componente de
retorno por tierra v^ está definida por:
ve = 1/3 (Vi + V2 + V 3 ) (III. 24)
y los componentes de línea:
Vj = V^ - Vé ; v¿ = V* - ve ; Vj == Va - ve
(III. 25)
89.
La Figura II! .14 ilustra esquemáticamente la reso-
lución de estas ondas y sus componentes; la disfcor
sión producida por sus diferencias de velocidad y.
la diferencia de atenuación de las dos componentes .
después que ellas viajan cierta distancia.
c. " Estimación de este efecto - ' . ,
La Figura III-15. ños da datos del retarda del fren_
te de onda., obviándonos el cálculo dado en la roí—
muía III.21 . • ' . . . - ' • ' ; , - : -. ' • • ' . " - ' :
Se puede utilizar los siguientes .datos como guía:
. Prolongación del tiempo de frente de onda: " -
Bajo Ve = 0.3 us/Km.
Sobre Ve . = 0.6 us/Km. para ondas negativas.
1.2 us/Krn. para ondas positivas.
Atenuación del pico de onda;
Bajo Ve = 3 %/Km, para los primeros 5 Krn.
1,2-2 %/Km, para los siguientes 3O
Krns,
Sobre Ve =. V(D) « Vo/(K'D Vo -f- 1) (111*26)
90.
Donde Vo y V(D) son los valores de cresta en el o
rigen y después de viajar una distancia D (km.)%
respectivamente, y K1 es una constante3 la cual se
incrementa desde 0.0001 para ondas de cerca de
20 us a medio tiempo hasta .0.0002 para ondas de -
cerca de. 5 us. a medio tiempo. . - / " ,
Para ondas coreadas / K1 puede asumir valores-aún -
más altos de hasta O.OO045. , ' / . -
2,2.3 Sobretensiones Internas , • -. • \ " . . - .
Como se analiz.6 anteriormente,, estas sobretensiones -pue
den ser clasificadas de acuerdo a" su frecuencia en so-
bretensiones a frecuencia industrial y sobretensiones de
maniobra,, las mismas que pueden presentarse en el
mismo instante o pueden ser consecuencia la una de la
otra; por lo tanto el proceso de estudio 'de estas sobre
tensiones especialmente en cuanto a los sobrevoltajes
transitorios resulta muy complejo 3 pues el análisis de
estas sobretensiones implica la resolución de ecuaciones
integro-diferenciales. :
Para obtener resultados probabilísticos relativos a las
sobretensiones transitorias se deberá acudir a los si -
guientes métodos:
" ' . . — . Analógico o mediante modelos físicos, >-"• .." ;v ;*: ;.
- Matemático "o mediante rnodelo matemático. ,'¿. •-''.-''••
. •" . ' . r"- • Directo o mediante ensayo sobre el sisterñá: real..
-Estos .métodos tienen sus ..ventajas y desventajas' "3'*\í '.en
^tos primeros es necesario introducir uro. ser'ie.ldé-'hipp-'.¿¡•i.*- -. • •- .<7. . - - ; • _ . . . ,• ' • , . . . - . - - . - ' - ' , . - ' " . i r . " - , . "'.-^-* "f . - -
•<-;'.'-'-i--: " . . . • . ' : • : . • ; • ' . • - " . " • - . " " " - - " - - - ' - - , . - - ' • - . - • . - • . " • , - • • -.;..-.i^.--.*^.-;; ,-.-;•/•X.tesls/'de invariabilidad de -ciertos parámetros ry^^j^-^l-.-.arr
"tro-es imposible realizar :la, cantidad de ensayos..peque—
.-•- 'ridos. " - • • ' . "; " - '.--VV.'-v"^;'/-:;;:"r '-•. • • • : • ; " " '-. :'/;-""-.:^7f; :-:¡:'¿¿'-'~-'-*'
A continuación analizaremos las principales sobretensio_
nes. de este tipo.
2.2..3.1 Sobrecensiones .de frecuencia-industrial
. a V - Bfecto Ferranti
El. efecto Ferranti en lineas no. compensadas vpue-£
den ser calculado por la "siguiente.fórmula-aproxi
mada. . - _ . " '
(111,27)
Donde: , ' . • • . ; . : -
V , : ' • = Voltaje en el lado de'recepción abierto.
V = Voltaje en el lado de generación,,
0 = Constante, podemos tomar 7*2°/100 Km, a
60 .Ha-^fc-V'^í
92,
1 =. Longitud de la línea.
En lineas compensadas el cálculo es más complejo .
. En la Figura III. 16 podemos observar el efecto mlti
gante de compensar con reactores Shunt.
Fallas a tierra . - •. • .. • . - - .
Las'.fallas, fase a "tierra pueden causar sobrevoltajes
en las .fases sanas ¿ ' la magnitud de los cuales pue-
den depender principalmente de la efectividad de la
puesta a tierra del 'sistema- estos voltajes resultan
más severos cuando .el neutro es. aislado o cuando
se utilizan bobinas, pudiéndose exceder el -valor del
voltaje de linea; para neutros sólidamente puestos a.
tierra estos voltajes pueden exceder el valor de fase
pero no el de linea. . •
Estos sobrevoltajes pueden ser calculados por me —
dio de las componentes simétricas o por las curvas
de la Figura III. 17 con las cuales podemos calcular
el máximo voltaje línea-neutro de cualquier fose en
porcentaje del voltaje Ifnea-linea,
ua Referencia 25 da una serie de curvas para cal-
cular estos voltajes en forma más precisa _, en fun_
clon de parámetros adicionales-
•93.
2.2,3,2 Sobretensiones transitorias
La magnitud y forma de onda de las sobretensiones tran
sitorias depende de muchos factores; longitud de las li
neasj. características eléctricas de los equipos., configu
ración del sistema/ la propagación de ondas y la presen
cia de energía atrapada en la línea/ etc.
.El proceso para el estudio de las sobretensiones transí
torias resulta más complejo que el correspondiente, a
las de frecuencia nominal, "por cuanto deben tomarse en
cuenta mayor número de variables y parámetros defini-
torios del sistema menos conocidos y que hacen necesa
rio recurrir a cálculos más avanzados, pues en lugar
de ecuaciones algebraicas habrá que enfrentar .la reso-
lución d e ecuaciones integro-diferenciales. " . '
Para obtener resultados probabilfsticos-relativos a la.so
bretensión. transitoria_, se deberá recurrir a alguno de
los siguientes métodos: . _
a. Método analógico o modelo ffsico
Este método es el mas utilizado, implica el uso de
un analizador de transitorios, sus resultados pueden
considerarse muy'satisfactorios aunque para la uti-
lización de este método es necesario introducir algu
94.
na "hipótesis en cuanto a la invarlabilidad de ciarlos
parámetros -, •
Los estudios de transitorios para el Sistema Nació
nal Interconectado fueron realizados por éste méto-
do (Referencia.: 15). .. -. ..
b. Método matemático o mediante modelo matemático
- La .aplicación de. este método implica la utilización
de computadoras digital es > por..la gran complejidad
y extensión del proceso del calculó. Para su apli-. . ' - . . • / • - : • - • • . . ' * . - ' .-- • • . ' - '
cación se hace necesario el conocimiento técnico pa
ra encontrar la solución de ecuaciones diferenciales,
utilizando la computadora, asf pues el análisis nu-
mérico y la programación nos-ayudan en este obje
tivo (Referencias: 18, 25 . y 2.6).
c * Método directo o mediante ensayo sobre el sistema
real -
Con este método no se puede realizar la cantidad de
ensayos que permitan alcanzar resultados de valor
estadístico pues el tiempo de disponibilidad del siste_
ma para el objeto es limitado y este método puede
ser usado corno verificación final para medidas co-
rrectivas adicionales.
95,
El análisis de las sobretensiones transitorias-Carito en- -[ i
el modelo matemático como, en el modelo-analógico es
necesario disponer de una serie de parámetros significa
tivos,que caracterizan el sistema y que intervienen/,en
la modificación causante de la sobretensión, estos para
• metros pueden clasificarse en principales y en particu
lares 3 los primeros son aquellos cuyo conocimiento es
necesario para poder caracterizar básicamente el siste_
ma, ellos son:
Longitud de la línea. ~ / ,
Constantes de la Ifnea y su posible variación en fun_. - . ' • _ • ' t ""•*>-
ción de la tensión y^.de'la frecuencia. . ^ -
.Inductores de compensación-, " - ,, * "* T
Capacitancias en serie.
Reactancias del sistema alimentador-
Resistencias de preinserción en los - interruptores.
Los segundos, influyen con distinta gravitación según elr I
caso particular que se estudie., ellos-son:
Factor de amortiguamiento de la red alimentadora.
Frecuencia natural de la red aiirnentadora..
Saturación de transformadores.
Potencia transmitida,
Estado de la linea antes de una desconexión- "
Tensión y frecuencia del servicio.
96.
- Falca de simultaneidad en el cierre de los polos de
un interruptor» .
- Instante sobre la onda .de tensión en que se produ-
ce el cierre del primer polo.
Además la representación de la'linea debe ser realizada
con la mayor fidelidad posible, incluyendo característi-
cas en forma de constantes distribuidas, : Se puede pues
representar la Ifnea mediante .una serie de circuitos Pi
en serie,, con constantes concentradas, con los valores
correspondientes de ios parámetros R, L y - C para fre-
cuencia directa y hornopolar. . .
"En definitiva se puede decir que ninguno de .los métodos
nos dará un 100 % de certeza en los cálculos., pues no
se conocen completamente los parámetros del sistema
en la gama de tensiones y frecuencias que intervienen _,
además de muchas aproximaciones 'de ciertos cálculos e
imprecisiones en las medidas y tiempos de cierre. Se
estima que existe un 15 % de diferencias entre la dis -
tribución de los valores máximos resultados de ensayos
y ios calculados (Referencia:-13),
Considerando la utilización de interruptores modernos ^
el sistema puede ser. diseñado correctamente en base a
estudios de dos casos de maniobras, el uno será por e
nerqización de una línea abierta o terminada en un trans
.97.
fo'rrriadbr sin carga,y el otro caso será la energización
de una linea con carga atrapada (Referencia;
TÉCNICAS CORRECTIVAS
' **Es de gran importancia el evitar o reducir los sobrevol
tajes que pueden presentarse en un sistema eléctrico., de
esta manera,, los niveles de aislamiento serán más ba-
jos y por consiguiente se obtendrá un gran ahorro en
cuanto a costos de equipo, a continuación indicamos- las
principales formas para '.conseguir .este objetivo,.
r3.1 .- - " PROTECCIÓN CONTRA .SOBRETENSIONES
La protección'de equipo de la subestación debe conside-
rar dos tipos de fuentes de daño, la una por, descargas .
directas y la otra por ondas viajeras _, que pueden lie -
gar por las líneas de transmisión. Para la protección
contra descargas directas es necesario blindar comple
tarhente las instalaciones con cables de guardia o másX*
liles conectados a tierra; la protección contra- ondas
viajeras la dan descargadores., generalmente conectados
a la llegada de las líneas, . - " - • " • "::-::¿-.'-'lo,';;".'-'"
':- * Apantallarn lento
En líneas de transmisión los cables dé guardia deben es
tar colocados de manera tal que las descargas debidas
a rayos terminen en ellos y solamente ,un porcentaje
rnuy pequeño llegue a.los conductores de fase. El án
guio de apantallamiento variará de acuerdo a la altura
de la torre, ángulos de 30° a 45° resultan satisfacto -
ríes para las torres de _hasta- 3O metros de altura> án
gulos de 10° a-12° son requeridos para torres de altu
ras cercanas a 50 metros, -
De la efectividad del apantallamiento depende en gran
parte el comportamiento de. la línea; la talla de éste
implicará descargas en los'conductores de fase y por
consiguiente, contorneo en los aisladores. Se han rea .
lízado experimentos con modelos a escala para deter-
minar las follas de apantallamiento y se han obtenido
curvas y fórmulas para esta estimación.
Uno de los métodos aplicado (Referencia: 20) considera
una distancia de decarga "rs" que es la distancia en -
tre la cabeza de guía de la descarga piloto y los cables
de guardia o conductores que pueden ser alcanzados por
la misma } inmediatamente antes de que se defina la
trayectoria de la descarga de perforación en el aire; la
perforación del. dieléctrico llegará cuando se alcance el
valor de la gradiente critica de descarga, que se asume
en un valor promedio entre 3 y 6 Kv/cm para cables de
guardia o conductores; para el plano del terreno podría-
99,
tenar 0:^0 valor. Se. asume.. r¿Qj-
descarga al plano del terreno,
.como la distancia de
¿-/x Relacionando 13. y O tendremos-
K cni.28)
La distancia de descarga ouede ser calculado por la si
guíente fórmula: " *•-.
0.66.7 lo .(111.29)
^Siendo:
lo = Corriente de descarga,- 'en KA.
r, = Distancia de descarga., en metros
Para cada valor de corriente de descarga/• las,'distancias
O y *!><? definen una duperficie ABCD (Figura JII, ] 8).
Sé asurne que las descargas que atraviezan la porción/...• " " . - " • . ' . - ' . < ** *AB terminan en los cables de guardia, los que atravie
-BC terminan en los conductores de fase y los.; que-
:íV:atraviezan CD en'tierra.
. . „,E1 arco BC se va acortando cuando se incrementa 7a" c£
r'rriente de descarga es decir que se incrementa, ró has_
.ta que el arco BC puede llegar a ser cero pars. una dis_
tancia de descarga r¿i , Para corrientes más peque—
100,
ñas r¿ también se hace más pequeño, la exposición se
incrementa, pero exis-ce un valor r£i de distancia cri-
tica de descarga correspondiente a una corriente de desx
carga I . =. 2V/Zo que limita el valor m Chimo de dis
tancia. bajo el cual .el contorneo no puede ocurrir.
Para un apantaUamiento efectivo :
La Figura III. 19 da el ángulo medio de apantallamiento
9J£ como .una función de la altura media del conductor
de fase (y) y el espacio medio del . conductor a cable de
guardia (c) las dos cantidades en por unidad, de la dis
táñela crítica de-, descarga, (r^ ), :
El numero de tallas de apantallamiento es decir las des_
cargas que atraviesan el arco BC (Figura -III. 18) para .
cualquier distancia o corriente de descarga _, puede ser
determinado a partir de consideraciones geométricas
integrando entre los limites r^ y rs*. . y 6, utilizando
las curvas de la Figura 111,20), las cuales han sido ob
tenidas como resultado de pruebas de campo, en fun -
ción de la. altura de la torre, nivel de aislamiento, án
guio -de apantallamiento y considerando Ks^ = 1.0
Otro método utilizado para estimar las fallas de apanfca
•- . .101
Itamiento es utilizando las curvas de la Figura Iíl,21
•{Referencia: 21 )¿ el mecanismo de estudio de la desear
•ga.es similar al anterior con ciertos refinamientos.
J_a referencia 14, nos da una fórmula empírica para~- - ' . . - - ^ -
"calcular la probabilidad de fallas de apantallamiento•* /~^¿-f ' *_,"•.••
(Po) la cuál expresa el número de descargas que atrá-. - ' - - ' - ' - ' ? * * ' £ .
Vi.ezan los cables de guardia:, como un porcentaje del
número total de descargas a la línea y es la siguiente:
log Po = (III. 31)
05
h
la cual;
= Ángulo de apantallamiento,
= .Altura del :cable de guardia,
Como solamente una porción de estas descargas/causa-
rán contorneo,, -la corriente crítica, de descarga' que ;cau. . " . ' . ' . ' . , ' . . ' - • . •„ y/""'-1- ' ' ' ' - ' • •""
sárfa contorneo es : -•-:.. - ' ' • - • ; • • • " - " • " - - ; .-•>; i 1" ' - ' 1" : :V. ' . . : - ' • • ' . : : . - - - : r ' '
, . , , , - . . . . - -
= 2V/Zo
Donde: . . - " • ' . ' • " " . " "
V ' = Voltaie critico de contorneo de la ..-cacfeha.0. de• ' - :- ' - - 'i' ; - : . ^
-;-;.; . aisladores (CFO), . . . ;.
;:v ;Zo =" Irnpedancia de onda del conductor,,
:'•":••-'- ¿5-~V f fj •-¡L-
'•.í^TsOT^j1^
La probabilidad (P¿ ) de que las despargas excedan el
.valor cíe una corriente I(KA) está dada por;
log R, = 2 - 1/60 (III. 33)
'Por lo tanto la Cantidad de salidas por falla de apanea-
Uamiento (SFO) será; :"t ' - • . ^
sro - 10 :CIIL,34)
El apantallanniento de una subestación puede realizarse-' ' . . ' . • '
cables de guardia ó" por. mástiles de tal manera que" ...". " . • - - - " • " . ' ' ' - . ' - • ' ' , - . ' • _ . ' .
el equipo, .quede dentro de una zona de protección.,
la cual cieñe la .forma dada"-por la Figura III.2.2. que en
sección transversal tiene la ..forma de un triángulo cuya
altura, h j es la del cable de guardia y.-su base es 4h.
Si no tijera posible colocar cables de guardia a\' lar—A? • - . " , . " - " " • • - - . . . - - - _ . . ; " . - ' •
go de la subestación se puede colocar mástiles en luga
res apropiados de tal manera que el equipo quede':den—. , . ' • • • "- • . " -
de un cono de protección, asumiéndose que en'-la .ba
se tiene un radio igual a dos veces la altura del/más -
til, . .
ülMuchas veces se utilizan .varios cables de guardia o
rnástiles3 de esta manera las zonas de protecci6n se su_
perponen. Las curvas de la Figura 111,23 nos dan las
103,
relaciones para la distancia del cable de guardia al ob
jeto protegido y entre cables de guardia.
Dentro de este aspecto es muy importante que los cables
de guardia tengan una buena, puesta a tierra de manera
de ofrecer un camino fcícil hacia tierra para las desear
gas que tengan lugar en los cables de guardia. -
3.1.2 Descargadores
Si la subestación está ya apantallada contra descargas
directas subsiste la necesidad de protejerla contra on -
das viajeras de sobretensión que llegan a la subestación
por los conductores de las lineas. .Estas ondas pueden
ser producidas por descargas de rayos que han contor-
neado los aisladores, o por maniobras dentro del siste
ma; para este tipo de ondas la protección se realiza
por medio de descargadores,
Estos aparatos importantes de protección3 realizan la
función de permitir el drenaje de cargas eléctricas co
rrespondientes a ondas de sobretensión¿ manteniendo la
tensión en sus terminales dentro de Ifmites prefijados;
estos aparatos proveen una respuesta y no solamente
técnica sino también económica al problema de la coor
dinación de aislamiento3 para que el esfuerzo sobre el
aislamiento sea lo más bajo posible, así pues, proveen
un camino para que los sobrevoltajes'se descarguen a
104.
tierra sin causar fallas, sostenidas .debido a que inte -
rrumpen la corriente subsiguiente y además dan un ba-
jo nivel de protección., lo cual implica un bajo voltaje
de descarga y,.-un bajo voltaje residual, .
" Básicamente, - el pararrayos consta de los siguientes e—:
lementos: - _ -. . ' . - . - - - - ' " • ' . . ../ • . . . -
Explosores (gaps) . • _ .
Estos elementos tienen dos 'funciones, -actúan como un
espinterometro cuyo dieléctrico fallara en presencia de
un cierto valor de sobrevoltaje, y luego cuando el ."so—
brevoltaje ha disminuido el flujo de corriente/ estos e
lementos. están diseñados de manera tal, que pueden in
crementar la longitud del arco..
Resistor no lineal . . .
Es otro dispositivo principal del pararrayos, el cual es
tá colocado en serie con el explosor- Este elemento
presenta un valor de resistencia muy bajo para sobre
voltajes de impulso y valores altos cuando se aplica
valones de x'oltajes de 6O ciclos., de esta manera se in_
terrurnpe. la corriente subsiguiente,
Existen .además elementos auxiliares que perfeccionan
05.
la operación del pararrayos/como son las bobinas co-
locadas en serie con Tos explosores,, las cuales crean
un campo magnético luego de que se ha descargado la
corriente de impulso de esta manera ayuda a la interrup
ción de la corriente producida por voltajes de 60 ciclos,
esta bobina puede tener un explosor auxiliar colocado en
paralelo con esta,, .que actúa. como, bay-pass^ eliminando
asf la alta reactancia inductiva en la trayectoria de la
corriente de impulso, : . ; ,
Para una distribución uniforme del voltaje en el pararra
yoSj se p'uede colocar resistencias' en paralelo en los
explosores principales que sirven como divisores de vol
taje.y capacitores en paralelo para una buena estabili —
dad de la descarga (Figura 111,24).
Las características principales de estos aparatos son
las siguientes: . .
a, Valor máximo de tensión entre terminales a 6O H Z j
permanente o de larga duración por encima del cual
no se puede garantizar el buen comportamiento del
descargador. Este valor se relaciona con la ten —
sión nominal del descargador.
b. Nivel de protección a ondas de impulso, conocido
también como I!umbral del descargador" está defi-
106.
nido por el máximo valor de los otros, indicados a
continuación: . • .
b.1 Máxima tensión de descarga bajo onda de impulso '
completa, normalizada (1 .2 x .50 us). ;
b.2 /Máxima tensión de descarga para.una onda.de i m -
pulso de corriente (8 x 20 us). : Esta corriente,, de
finida en la sección 4.2.2.1 será menor o igual a.
la. máxima corriente que admite el descargador. . . .
c . . Un -valor máximo de tensión entre terminales del des
•', 'cargador como consecuencia de la descarga de una
onda completa convencional correspondientes de las
•• " ~ sobretensiones de maniobra,
La Tabla III. 1 nos da valores característicos de pararra_
y os tipo estación.
301 .3 Control de Sobretensiones
El control de la severidad de las ondas de maniobra es
otra de las maneras de reducir el nivel de aislamiento
esto se puede realizar utilizando equipo adicional,. va —
riando los equipos de maniobras s o arreglando la confí
guración del sistema de tal manera de reducir la magni
tud de sobretensiones-
107
Los métodos y'equipos para este objeto .son los-siguien
test
3*1.3 1 Reactores Shunt
.•"Los reactores de Shunt pueden reducir -significatiyamen
^^^'""w te los sobrevoltajes sostenidos creados por perdidas de
carga} o en el caso de lineas largas abiertas. Aunque
escás pueden ofrecer alguna reducción de ondas de ener
giración o recierre3 económicamente no son aplicables..' ' : i- *
. . ' , ' * i
. * ** i. ~ *
3.1 .3.2 Transformadores de potencial
La magnitud de onda de energizacion es menor que la
que se produce en un recierre de alta velocidad 3 lo
cual facilita para que la energía quede atrapada en'la
línea,1' Un método de discipación de la carga atrapada, *
sin reactor Shunt es a través de un. transformador^de
pócencial. magnético.
de maniobra intermedias
La ubicación de estaciones de maniobra para reducir, la
¿^¿k longitud.de las lineas 3 generalmente ayuda a reducir lasjÉPll^r'-:"- • • ' •?%8&?i?3"'' -ondas de sobretensión.
108.
3, "i.3.4 Terciarlo de transformadores
Los autotransforrnadcres (o transformadores) con arro-
llamiento terciario, afectan a las ondas de maniobra re
duciéndolas y suprimiendo voltajes de tercera armóni-
ca. La mejor puesta a tierra reduce los sobrevoltajes
en las, fases no fallosas para un defecto fase-tierra.
3,1.3.5 Innovaciones en. los interruptores de alta tensión
La medición más común para reducir los transitorios'
de energización y recierre es la de aplicar el voltaje
a la línea., a través de una resistencia (R)3 la cual es
. tá en paralelo con los contactos principales .del inte -
rruptor (Figura 111.25). Estudios realizados indican
-que es necesario además tener un. control del ángulo
de cierre entre los polos del interruptor y del tiempo
de inserción de la resistencia y en base de estos estu
dios se pueden determinar el valor de resistencia de
inserción óptima,
De los estudios de transitorios efectuados por. el Gru-
po de Estudios de Sistemas de la General Electric Co,
para el Sistema Nacional de Transmisión,, podemos ob
tener resultados para las Ifneas que llegan a la subes-
tación Boliche, La Tabla III.2 (Referencia; 15) nos da
un resumen de los sobrevoltajes con y sin resistencia
1O9.
de preinserción. Para estos estudios se ha considerado
un tiempo de preinserción de 120° y un ángulo máximo
de cierre de polos de 180°.
TABLA III .2 '. '
RESULTADOS. DE ESTUDIOS DE SOBREVOLTAJES DE
MANIOBRA., (MÁXIMOS SOBREVQLTAJES) . .
Lfnea
P-B
P-B
P-B
P-B
B-EO
B-EO
P-B -
B-EO
Sistema . . . . \. voltaje Tipo de maniobra
' (Kv.) ; ' . . - " ' -
230
: 230
230
230
138
138
— - Línea
— Linea
. Recierre
Energización
Recierre
Energización
Recierre
Energización
Paute-Boliche . .
Boliche-El Oro
Resistencia de Sobrepreinserción .voltaje- (ohmios) (pu)
0 4.67
: :O • " • - 2. 69
.400 ,2.47 -
400 - 1 .70
4 . 03
- 2.23
Como podernos ver las sobretensiones por recierre son
más severas que los de energización., debido a energfa
atrapada en la linea. El efecto de la resistencia de pre_
inserción es muy ventajoso pues reduce las sobretensio-
nes a un valor menor que 2,5 pu,3 en sistemas de volta
jes más altos se puede limitar hasta 2,0 pu. variando
13§ valores "de fcierripo de preinserción y ángulo entre
cierre de polos. El valor de la resistencia de preín -
serción es de ¿LOO onmios; este valor concuerda con el
valor generalmente . recomendado para resistencias.de-
preinserción óptimas".
,.2 CONSIDERACIONES DE AISLAMIENTO
3.2,1 ..Rigidez dieléctrica prpbábUística
Se define como voltaje que puede soportar el aislamien
to., al valor máximo de sobretensión, para el cual no
*•>•* debe existir contorneo. Este valor lo podemos calcu -- ~" - v < t- * * -*
lar a partir del voltaje critico de contorneo de la mane
ra siguiente: _ ?
V« = CFO (1 - 2r ) (III .'35)
Donde;
CFO :: Voltaje crítico de .contorneo, el quaV"es"...obte-
nido de'pruebas y representa un valor dé yol
taje al cual el aislamiento del equipo .sujeto a
prueba,, cieñe un 50 % de probabilidades, .de .re_
sisttr sin que se ocacione la .descarga.vdisrup
tiya y 50 % de probabilidad de que sí. se pro-
duzca esta .descarga, ' - ; ; , :
11 .
= Voltaje que puede .soportar el aislamiento-;Veste
valor depende del grado de seguridad que' desea
mos obtener. En el caso de la fórmula 111,35,
utilizando el factor Z = -2 (ver Tabla III.3)
obtendremos una probabilidad (p) (2.3 %) de que
ralle el aislamiento y una probabilidad de 1-p
(97,7 %) de que el aislamiento soporte el sobre
voltaje. ' . -
= .Desviación ttpica, que es . una medida _estadfsfei
ca de la dispersión' de las pruebas de aislamiern
to observadas respecto del CFO'.
Este coeficiente (para aislación autorecuperable) puede
tener los siguientes valores:
3 % para ondas de voltajes atmosférico^en seco o
en húmedo y para voltajes de frecuenciaj|lndustrial
en seco. :
6 % para ondas de voltajes de maniobra seco o híj
. medo y para voltajes de frecuencia industrial/en
hürr¡edo» . .-
Los coeficientes para aislamientos líquidos o sólidosV;son
mucho rnás altos,
1O % para aceite de transformadores,
8.% para papel impregnado en reciña
112.
w.S .:£ * "f Efecto c'e cadenas en paralelo * ,,~ , . . , . . , , _ - -i- - - - ._-..,.,-r.--.,-.^ j.t
Cuando existen cadenas de aisladores en paralelo la proi, f ' . • • t--+-' .' habilidad de que el aislamiento soporte cierto valor .de
voltaje disminuye., la fórmula 111,36 estima esta varia -•
- p1 -"(111.36)
Siendo1 ... ; - ' .
FJ = Probabilidad "de que una cadena soporte cierto
valor de voltaje Vi .
- ^ N = Probabilidad-de que N cadenas en paralelo soopr.
te el mismo-valor de sobrevoltaje V¿ . *•**- ?*%J-V, *" ' *" J~,
El voltaje de soporte debe ser corregido .para ^obtener
la seguridad desea'da, de la siguiente: manera* -
Vw = CFO (1 -.'n<r)
Siendo n un fector obtenido de curvas' de la" Figura -III .'26
T A B L A II I . 3 """'V':;,v: •
DISTRIBUCIÓN NORMAL : ; ;-: ::' • '
Z - 3 - 2,O -128 - 1 O 1.. .1..28 2rÓ^"?';,3.O
P .. O.OO13 C.O23 0.10 1,59 0,5 0,841 0,90' 0^977. O',9982
1 13.
3^3- *_ ,,
3.3.1
CORRECCIÓN POR CONDICIONES METEREOLOGTCAS
El valor-critico de concorneo debe ser corregido para
condiciones diferentes de las normalizadas., que se dan
a continuación;
- Temperatura de aire: 77-° F (25°C).
- Presión barométrica: 29,91" de Hg (760 mm Hg).
- Humedad (presión de vapor): 0.6085" Hg (15.45 rnm '
Hg), . ; : ;-
- Resistividad de lluvia* 700 ohm-pul (17 ,800 -ohm-cm).
• - Cantidad de precipitación: 0.2 pul/min (5.08 mm/min)
- Ángulo 'de precipitación; 45° , "?r -
Efectos de la densidad relativa del aire *'~\a presión barométrica normalizada B y la temperatura.
T de 25° C, establecen .una- densidad relativa '-del. aire/
(ftAD) de 1 j las variaciones de estas condiciones _, alte-
rarán el valor 'antes {mencionado.
La : siguiente fórmula nos permite calcular la.. densidad
relativa del ai^e para otras presiones y temperaturas ;
RAD
Donde:
O.392 B273 -f T
"(111.38)
>*,
»^. -*¿c-*&*.•
*, >^^*<g-¿J:*-~
m-^-. 1:14
£3 = Presión barométrica en rnm. de mercurio,
= 25.4 antüog (1.47567 - 0.00005532 H),
H • = = -Altura en metros. .
~T = Temperatura en °G. : " . ,' "
La Figura 11.1,27 permite determinar la densidad relati
va del aire., en función de la altura-sobre el nivel del
•mar.y la temperatura, • " . - - . - •
Si la densidad relativa del. aire se "incrementa, la/resis
tencia dieléctrica del aire 'ta-mbien se incrementa y por
lo tanto el voltaje disruptiv'o., este voltaje en condicio -
-nes diferentes de las standard puede ser. calculado.'en'. . ' . • - " . - ' - ' ' . - ' • _ ' -' c v-- •*
basé a la siguiente formula: ": -
V = Vo (RAD) (III. 39)
Donde;
V =
Vo =
n =
Voltaje -en condiciones diferentes, de las-:'standartí,
Voltaje en .-condiciones standard.
Factor empírico que depende del tipo y polari-
dad del voltaje., asf como de la longitud del ais
larmento y que puede variar.de 1 a O. (Para. " " . . • " . tíf
¿ r
sobrevoibajes de frecuencia industrial y atmosfé_
ricas n = 1).
Para sobretensiones de maniobra este fector puede, ser
115.
; elegido- de acuerdo a la longitud de aislamiento ¡como se.
indica en la Tabla III.4 , • ' • • , • • •.'/. - , - :-^;.•--;[;-;;;:;-.-: '
• - . . . /. . T A B L A • I I I .4 - . - ' • ': -;;v'^v;^:: • " ; - .
Longitud de Aislamiento (pies)
'5.0
7.5
10.0
'1 .0
:;P'.'9
.;Ó,8~''V0 .7
3.3.2
Utilizando la -Figura 111,28 podemos encontrar un factor."• : . . - > * * * "* , %
de corrección en función de la densidad relativa _, para *„,
: voltajes de maniobra.
,Éfectos de la humedad
-"Los voltajes de coptornéo"dependen del contenido de hu
Jrriedad del aire., que puede estar dado en" gramos"-dé'-va
jDor de agua por'metro cúbico de aire, o en. pulgadas
de -mercurio* En general la humedad es beneficiosa pa_
ra .aumentar la rigidez dieléctrica del aislamiénibp'T^pués
detiene .la formación de avalanchas de electrones.
El voltaje de disrupción V a cualquier presión' de vapor
P es;'' • ' • - , . - . . - '" - • '^?*ífeS«5:'vc----'.'
116,
% , . Vo .V = — .(111,40)
Donde:
. Vo - Voltaje de disrupción a condiciones normaliza -
das. • . • . . : '.
R . - = Factor de corrección por humedad, obtenida de
curvas de la Figura III.29 (para voltajes de 60
Hz) y la curva III.30 (para voltajes -de manió —
- - . ' bra). .' " ' . \ .• ••'• • • '.' .. '• .-" _-
3.3.3 .- Efectos de la lluvia • . . '• ' " ' • . .
Los voltajes de 60 ciclos de contorneo en los. aisladores
de suspensión dependen grandemente de la.cantidad de
lluvia pues ésta distorciona el campo eléctrico y las gra
dientes se incrementan. La lluvia-reduce los voltajes
disrruptivos de 60 ciclos y los .de maniobra considera-
blemente, pero muy poco los de impulso* La Figura
111*31 nos demuestra el factor de corrección en función
de la cantidad de lluvia. La resistividad del agua^ fcam
bien influencia en el voltaje crítico de contorneo. Para
ondas de maniobra se asumirá que la lluvia da una re
d'-'cctórí máxima de 5 % en el voltaje crítico de flameo.
. 1 -SELECCIÓN DEL AISLAMIENTO DE LAS LINEAS
117
Rara "la selección del aislamiento de las lineaste trans
misión que llegan a la subestación Bol iche,, .considera —i ^- «
reraós el. aislamiento requerido por:
Sobretensiones a frecuencia industrial.
Sobretensiones de maniobra,.-
Sobretensiones atmosféricas. -
-Datos
•:y^;:M»."Estudios al respecto., .realizados en INECEÜ.^Cpara ,.el \í Cisterna. -Nacional Interconectado han llegado:-a^áe.fcermí:.
$&£z&^^'*''^r "-.-•: - "•"• ' : ' "' .- '"-• • ' *• • . ' • ' \' •••• " • • " . ' : ; ; - ; . ' - ' • •>. • '•^?"7::^^"";•^--•r^•-:^-••f':?'í"^^^Vfnár..--dos tipos de zonas .que . tienen condiciones.7atm.os.fe .
;::;^v':V; .ricas y climáticas diferentes para las 'rut¿s ^e las: :"-
:"'V--. :; ./.neas:y Vocalización .de las 'subestaciones3 éstas .son:'./;r
" • ^ : '-.. ' ; ' '• Zona ' 1 - ' : ;" ' • " • . : • ' - • : . • - . - . r - - . ' '' .;.'.' ' -- '•••' ' •",• " . • " - . / . - ; -"!: -„' '\¿--\. ••-:'•! •:"
Esta está caracterizada por estar en alturas inferiores
¿4-* a 1,000 metros sobre el nivel del mar y tener una ba—. -
resistividad del suelo (valores entre 1O y 200-a-m).
La zona costanera puede ser clasificada como tal para
este. objeto 0 . ; ' -'..L.. ..^..'//~:. -
Esta" zona comprende los terrenos .ubicados .éntrr^lps"
118,
"*V1 .OCX) y los G.GOO metros sobre el nivel del mar; por
comprender en su mayoría zonas montañosasj su resis
tividad-media es mucho más alta que la de la zona 1.
,La .Subestación Boliche y las' líneas que .lo ~conectan^.;."
(considerando longitudes, que interesen para ..el., .objetó)
.están dentro de la zona '__ 1 , ;.;:•..-" •'* . " . . • - . . - • i - : . " . ; ' ". •v^'^V.-'í^í,-'
, Las''dimensiones de las torres : para líneas" de .transmi-
sión tanto para 138 KV- como .para 230 Ky/'';e¿.tár¡; en la
^Figura III.32, estas'lineas s'erán de doble"'circuito: y ; ; / . .
tendrán un solo .cable de guardia, 'los .datos y- ponsian-
¿tes :de la Ifnea están indicadas en la Tabla ni.S--;'-,"'.""-;^ t-,;!
El nivel ceráunico adoptado para la zona 1 ;es de:-3p.::'"^'
-•' " . ' • : - - '"• '•,"• ' . T A B L A ' 111 . 5 ' - • - ,"' '^'*'-:-;':'. --'.:'•'
DATOS DE LINEAS
Linea 138 Kv. Linea 23O..Kv.
Calibre de conductores
Ñ- de aisladores
;Calibre de cables de
: .guardia ;
Altara de cable de 9uar_
día en ía torre (h)
Resistencia de píe detorre
397 KMC-ACSR 1113 KMC-ACSR
9 14 "".:- . : -- •
3/8"
30 mts -•
3/8"
119.
Línea 138 Kv, Linea 230 Kv,
Altura del conductor en
la torre (he)
-Vano de diseño
Trecha del cable de
'guardia-a medio vano
•Flecha, del conductor a
•Triedlo vano
N- de corres en lineas
(rnás largas)
vAltura equivalente de
cable de guardia (h)
Ángulo de, apantalla -
miento..en-la torre
Reactancia inductiva.
Reactancia capacitiva
Ángulo, de apanfcalla -
miento equivalente
Irnpedancia caracterís**- —
-tíca. de cable de cable
de guardia
Impedancia caracterís_
* tica de conductores
<?°>
Longitud de los herra^
vjes de suspensión a la
crucetas' O*™*51)
£5.25. mfcs.
335.8 (1102')
8.48 JTÍ.
9.45 m. .
372
24.35 rn.
28.7°
0.7988 /milla
0.188 M mi.
-25.7°
36.10 mfcs.
445 X14601)
14.22 en-"-
" S "¡ r ^' ->-^ *
18.12 mi
350 ; ^ -f -- f
" '. V33.72 m. -..-;.
A. w>
* •^•'i
29.42° ' 1"
0.746 ,/milla
0.1754 M mi
22° ' -
550 570
388 362
2".
12O.
Linea 138 Kv. Linea 23G Kv,
Longitud de cadena de -
9 y 14 aisladores (D). 51 .75" 80.5"
Distancia desde' -cade- ; .;. . / "
na" de' aisladores a la
torre (L) - .-.' ..V " - . 2 mts , " . "3 mts." ' .. 72") - • ' • - (118.08
Longitud de ensambla - ". ' ,
jes. de sujeción de con_ .
ductor a la cadena de : ' . . -
aisladores. - - - .23.6 cm . 26.. 2 cm
4.1,2 Aislamiento requerido para sobrevolfcajes a frecuencia
• / - industrial - • : • ' - • . . - -
El aislamiento de la linea debe soportar los voltajes de
6O ciclos ..en condiciones normales de operación y en con
dic iones de .fallas y por lo tanto deberá soportar sin que
exista descarga disruptiva., el máximo voltaje lfnea~r,eu
tro en condiciones de falla; el valor máximo puede ser
calculado de la siguiente manera:
Voltaje máximo (L--N) ~ 1 0O5 x Kr x V x — =. (III. 41')\
Donc'e:
121.
1 ,05 = Factor que considera el voltaje máximo de o-
peración^ con un 5 % sobre el nominal del sis_
tema. . *" "**
V = Voltaje nominal del sistema (Kv) L-L , tV ,
Kf = Factor de elevación dinámica de la tensión.
Calculando -este valor para nuestras líneas;
.TABLA III , 6
K x 1.O5 Maxim© voltaje
En 230 Kv.
' 138 Kv.
1 ,32
1 .4
248 Kv".
1*58 Kv.
'4."1 *2.1.- . yolfcaj.s critico de contornea - -
• - • • - . _ . "c• . • " - = , ' ' • - ' *
.Este valor lo podemos determinar utilizando la formula.
IIT.36 y las "curvas de la Figura III.26
CFO -248 Kv.
(1 -3.7 x 0,06)= 318.76 Kv.
CFO -158 Kv,
.(1 - 3.75 x 0.06)= 203.87 Kv,
fjSF'f".
y&r- V-. .y.iV
122.
.2;,;' Correcciones metereológicas' / - . • • ; . , . . ; . ' •••^"*£?>:~''¿\'--'
• ' •• ' : V • ' • - " . : • ' • • ' • - . . . . - ' / " • " " • , ; • " ' . • . . • • • ~ - " : • " • ' * '. ;". ' rS^rfc;;;1':^.--. ",:;':; El voltaje crítico de contorneo variará cuahdó';lás.;;cbh-
".. ^/diciones .-metereológicas son. diferentes de las': "ñópjriaU'-.-':•
,."•";*-zadas* ' ''-''I-. ' ' - - . . - ' • ' - ; / • ' • -:'-' • • ; " , : . " - " ' . • . . ' . - " / . -"'~\O-V:^:-v: " • ' t-".'-;:
'H'V-•• Cos criterios enunciados.' en la' ¿sección .3':3;.perrpiten ^rea:
'.": .lizar las respectivas, correcciones que se détanan-.a con'•'"•vV.V--v- -""" :'."=>" • - . ' ' • ' - " ' - . - " • • . • " .- - . • • • ••::\'/??¿%¿-*^--i''-'-'-.'• " ' . - • • - ';•-.'•.''•'• '''''•^'::'---'^^\"y-''-<~~:
. ; . , . . , ' tinuación: - . . . ' • . ; • ' . . - \ ' • - - • • ' ; . - ' - "^" .V*. ' v."'^'.;-U"."•"' '"•/. .". ^-'':''J--'-'f:'-^!i^^\'/-:^
-'.^:-'-. •'--' -' '''-'- ' ••'. .•:-'•'•/''-.- -:---r*r^*-*¿^?'~¡^--::'.^. '-'•-• • .-'.'^••'Á^^'^f^-
v^^--En:230 Kv. • "^^^-' -'' ''-/•-*.?-¿-\'/-"-¿'':.-.-. •'•'."-• -. .--^Cv^'*^^^'- '^'-.-¿1'-• • • . L_l I- •II—'—"-' I V,V • , . ; .iáJto, ' ' - . . • - - • - . - • • - . - • - i— " ',-•• ' ' - . - . . ••• J-"'-J^ '.: ~ -''-.•'. .,- J, .,_ sj" . I
x 0,97
-0.94
En. 138 Kv,.
= 329 Kv,
fe-^fe, " ;>.^-,v.'¿K^Í:..-r ; S"
204 x 0.97
0.94= 210 Kv,
Donde;
= RAD (Figura 111,27) para 300 rnts, y ;35°C
= Factor ds corrección por humedad,
4-1*2.3 Número de aisladores requeridos
. -> .
. . . . . - . - • ' ,,
.La. Figura 111,33 nos da el numero.de aisladores reque• • " '* " -^ *
ridos , • - ' . - . "^cf' ,
T A B L A I I I .7
• NUMERO DE AISLADORES EN 60 Hz-
^Sistema de voltaje '138 Kv.,
123
2.30 Kv
:Nümero de aisladores requerí
d o s j ' : . • - ; - . . ' •;.""-
Añadiendo/dos. aisladores.para
mantenimiento ", - , .[.-.
4
6
4.1 .3 Aislamiento por contaminación
":-" : J : Él voltaie que puede soportar una cadena de/aisládóres.. , ' , . " - " -1 ' ' . .,..-.----'£>¡f .-.¿'•V> "-. • . ' . . - . - " ; - • . - « - . ' • •-,*..'-'i '-„'*::-• '-"i
' se'reduce de manera considerable debido a" Ja_! cohEa'pnt—"
nación^ la cual puede ser causada por..'la. acumulación "
"•;• -de partículas de cemento., sal, fertilizantes^ -"etc;., en-;-";-;1.'
• - l o s aisladores . Para una, cantidad constante^•de^eonta—,
' rñinación el máximo voltaje de ^operación/'que una. cade
• na puede soportar es directamente proporcional -.a:'-,ía'' -:•"
iistáñeía'.'de dispersión de los aisladores y el'número -
^ffñé. 'ellos, , Los diferentes grados de contaminación han ,
sido clasificados en: . -, .
Atmósfera limpia - regiones rurales que no tienen -con-
taminación" industrial. / *^ 1 •
124.
Clase B: ~
Contaminación atmosférica ligera - suburbio de grandes
regiones industriales. ^Vias de ferrocarril con lluvias
frecuentes _, que laven los aisladores.
Clase C; ' : ' . ' . / . . ; . - • . " - ; , : - . • "' . ' • - ' .' - ' . = ' ; .
Contaminación moderada conteniendo sales solubles has
ta un 5 % .de impurezas. - producidas por -plantas meta
lúrgicas y mineras, impurezas de. fertilizantes en pe —
quenas cantidades, . . - : . ;_ . ." - . . . - ~ - - •
Clase D : ' ; ' " - ' • " ' • :.." ' : . " - ' , ' •
Contaminación severa con un .15 '••:%. o., .más - ; = de sales'solu-
bles producidas por plantas . industriales .de aluminio,, •
cemento y productos quCmicos, asf como impurezas de
fertilizantes e n gran cantidad. - • • • - . . . "
Ciase E: . . .
Precipitaciones de sal en regiones muy cercanas al mar
La Tabla III.8 nos da los valores de distancia de disper
sión requeridos para las distintas clases de contamina-
ción.
125
T A B L A 111,8
Clase de cor, Cantidad. .equivalentarhinactón te de sal (mg/crrf)
-•f
- - A 0 - 0.03
" B ' 0.04
C 0. 06
D 0,12
,E ^ 0.30
Distancia de 'dispérsión (pul/Kv j-) de.voltaje línea-neutro
:- — ;—
* 1 ,04
J .31
r1 .74
42,11
. „ J ^ El .tipo de contaminación adoptada para el Sistema Na-
** f''M^^^frf' otoñal., es el siguiente.^ v ' fl, r **ÍTV
T A B L A 111,9,_
Sistema de voltaje(Kv.)
¿30
230
138
138
Zona
1
£
1
2
Clase de- contaminación.
B-C
B
C
B
át󣿿í.'.-'',-El* número de aisladores requeridos puede .ser'calculado^ ^ - - ' . V-"'-'" . - • ' " . • ' " - ''"."'-:~^-¿*'¿ ; • • ' " •
/^de-la siguiente manera: . "• . - - - . _ ; .-./ ./ •-.- -y-^J-V' • • " , . . . ' •
N "¿ .1V LD
\T3 IL.D•'-, •",sTC'-,-~>«W-'-'-'> ' ; • ' " ' ' .
,''7~'*v-í/;'•-'-""'•*"'-'' ^ -;' " - • ' '
^v-;>>¿^^^víi :-*:'-:--^^^^^^^•A--T
^1^ -"-*,^ZfK2í. i£ir+rF*f¿*&JX&. .
::- :: ?s
Donde •
L_D = Distancia "mínima de dispersión para_que;ho
exista contorneo para un determinado tipo de
contaminación,
ILD = Distancia de 'dispersión . de cada aislador.
r" ^ (
Los valores de ILD están dados en la Tabla III., í Ó- "-
TABLA III. 10
"JPO DE AISLADORES
x 5/3 (normalizado)
>r 5/3 (tipo neblínerq - FOG,5t -, T'Vftí^1 *
ILD
4.1.3,1 Número de aisladores requeridos por contaminación
Zona 1 - Con .aisladores normalizados:
f'Sistema 230 Kv.
23O 1 ,175N = 1 ,05 x .— x -— —. . . V 3 1-1-0
Contaminación tipo B-C,
138 Kv¿
= 14.3
:r:J"..-!:..
'/K^*fá^:';.*-'-:^-^-¿
ífe: gg*^sS>: r " " - " ' - " " ' •"• •" ' - ' ' " ' • • •'
127
N = 1 .05 X135 ' 1-.81
VaX
• * * C ' " r * * Contaminación tipo G.
* M,Zona 1: con aisladores tipo FOG
Sistema 23O Kv.
, ^r- 23° 1 -175N = 1 ,05 x -7= x 1? = 9.6
- - TÍ *, ' 1 J.
~.. -'V
* ÍA'- v K •* l —
^1? "%, N
Sistema 138 Kv.
138. 1.311 • CJÍ3 X , X _, _, — D . O
-Va JL,-
-.1.4 * Aislamiento requerido para sobretensiones de maniobra">
-.1.4.1 Sobretensiones máximas
Los valores en por unidad de las sobretensiones máxi-
- A mas lo :podernos" obtener 'de la Tabla III.2 y el'"yalor
itesv" real lo podemos calcular de la siguiente manera:
V; = KT x .,— V (111,43)
Siendo: . •
KT = Valor de sobretensiones transitorias--máximas
en p.u.- **
V' = Voltaje del sistema (Kv,) L.-L ^ ^ta
128.
La i abla III. 11 nos indica los'valores máximos.
TABLA III . 1-1
SOBRETENSIONES MÁXIMAS
, , ,, . - , , . , - ", w • • - >i s ' -„'Linea de máximoVoltaie del sistema .V -(Kv.) •:. . - . • , , . . - . . -- ' • - . . - - ..- ''•• sobrevolcaje'
-';•'- . . .:454 ;'.':'-.- \ "BoUche-El.'Orq-/
• * • ' . . - - " : . " ; " • " " • 4 7 0 - - . • '.'- ' ' Paute-BolicKe / "
4t1.4.2 Voltaje crítico de concorneo (CFO) - ' , :; •' ; . ..
- Utilizando los criterios y'valores de desviación standard
- de la sección III.3,2 y datos da las líneas3 el CFO • -
requerido será: . . . . ." - .-"; _
TABLA 111.12 . . -
VOLTAJE DEL SISTEMA • . . CFO' (Kv)
138 ' 558.8
230 576.7
4,2.4,3 - Correcciones meLereologicas
El valor de CFO se ve afectado por "las condiciones me_
tereológicas diferentes de las standard y puede ser co~
129,
rregido de la siguiente manera:
CFO = CFO, ~~~ = CFP, x Kr x K«o (111.42)
CFO0 . .= Voltaje crftico de contorneo de la cadera
, . : • : de aisladores en condiciones normalizadas
requerido para soportar las sobrefcensio —
' . " . - . nes "indicadas en la -Tabla III.. 12. -; .
CFO ' ' = . Voltaje crftico de contorneo corregido por
condiciones metereológicas. . ' . •
K r . = Factor de corrección por. lluvia, tiene un
valor -de--1 .05. . ' . ; • ' .-. : . : -
K H O -'.== Factor .de corrección combinado, de hume
dad y de. densidad relativa del aire, este.
factor tiene un -valor de :1..15.. -' :. / ;
H y RAD = Factores.de corrección por humerad y den
sidad relativa del airer definidos anterior
mente. ,
Ver Figuras III, £8 y III. 30
TABLA III . 13 .
VALORES DE CFO CORREGIDOS
VOLTAJE DEL SISTEMA . . . CFO
138 , 65O
- 2 3 0 - . - • . - • . 6 7 9
130
Número de aisladores
'Útil izando 'los datos de las lineas oodemos obtener tas
siguientes relaciones.
.TABLA I I I . 1 4
138 Kv."££30 Kv.
L-/D ^ .
Ha/D *rf
Distancia a torre con un ángulo de
caación de 15°- ^ *
Distancia a torre con un ángulo de
oscilación de 60°
1 .52
0.039
1.47 "
0.025"
39.5"
~" £^.r,X<~-''í>'5&-f;£¿,
El Número de aisladores-requeridos -por -sobretensiones
-.ds" maniobra ha sido determinado en base'al "procedí -
.miento descrito en la referencia 17 3 • basándonos en la
Figura III .34 y los diferentes factores de corrección ya
descritos, l_a Tabla III. 15 resume estos cálculos.
"1*31 *
TABLA -III .1 5
NUMERO .DE AISLADORES REQUERIDOS
*'<v
138 Kv. ,:¿3Q Kv,
-Voltaje de soporte estadístico a ** -" '-
6O Hz para distancia conductor- f ~\~- * ¿
torra (Kv,) - -289 -¿ 35"6( "* *~ >»
Valor de CFO para sobretensión 4 *"
de maniobra (Kv,) ' 580 . * ^ 647 „
Número de aisladores requerí' r
dos para sobretensiones de ma- ^ ^s ~ •*' ./-íj ~"
niobra - 8
4,1.5 Aislamiento requerido jDara sobretensiones- atmosféricas
Como mencionarnos a comienzos de este "capítulo-// las
sobretensiones atmosféricas son las que mayor; inflüerí
. cía tienen en la.selección del aislamiento de-líneas'con..~'.-' '
.".-•voltajes menores a 345 Kv,' Entre 'los parámetros* a;"to
rnarse en cuenta en esta sección^ se tienen;
Número de días tormentosos .anuales en la'zona por
donde cruza la Ifnea.
/Geometría de las torres
Acoplamiento entre cable de guardia y conductores',
etc.
182.
El propósito de este estudio es estimar el número .de
..salida de. la línea debido a fallas por descargas abmos
féricaSj este análisis lo realizamos considerando*
- Descargas a "medio vano. . - .'. ' " •. : - -.-J--'" .- " - - *•-" *--
~~ -Descargas en la torre. .'; . .
— Fallas de apantallamiento. -.. "".-» ,
.5.1 Descargas en la Ifnea por 10Q Kms/año
Utilizando las fórmulas dadas.,en la sección 1JI.2.2.2.1 y
* ' ^los datos de la línea, se .ha "calculado el número" de des
^ v^v'cargas en la línea fver Tabla III. 16). j' ^ _/» , ü- -i. -^ . . . ; - - - . . . - , - s -,f . - - . - - . . ...;-.//.. •• ; . ;_ . . - • • ; • ' _ ; *»* *j
- . ' - ' ' T A B L A ' ' " ' I I I . Í6 :- ' " ^
138 Kv. £30 Kv.
Método de referencia N- 14
Método de referencia N- 17
Método de referencia N- 13-
•65 ;
58.8
63
67 ,
4.1.5.2 Descargas en conductores de fese (falla de .apantallamieri
to)
.¿jEl: cálculo de este .tipo de defectos se los ha hecho uti-
lizando los métodos dados en la Referencia. 20^21,
133.
- a. Método de Referencia 20.
i.
Utilizando las curvas de. la Figura III.20_ podemos
determinar el número deisalidad por .falla decapan
fcallarniento para una -densidad de descargas, de .;10.
descargas por milla /año (para TD = 25) este va-
lor debe ser corregido para nuestra densidad de
descarga con un valor de TD = 3O. La Tabla-• t;
•IJ1.17- resume estos; cálculos . * * ~
TABLA III . 17
SALIDAS POR. FALLA -DE .APANTALLAMTENTO
Número
'133. Kv,
7
8
9
10
11
12
-
de 'Aisladores;
230 Kv.
9
10
:n
12
13
• ' : . ' 14 • •
í~~
. Salidas/100 '
138 Kv. / v
1 . 49
1.34
1.12
0.85
0 . 65
*r*_ c "" "J ""
Km //año
^230 Kv.
- 2.85•y- ~e
S.53
a. 3
1 .86
1 .68
.1 ,34
.b. Método de referencia 21
-Utilizando los datos de las 'líneas- y las curvas ds
134.
la . Figura III. 21 calculamos el numero de salidas.,
en la Tabla III, 18 están, resumidos estos cálculos.
T A B L A . III .1 8 . -
Voltaje del - -: " < . r ,, •• ..... -- : , ..- . • h h . . • b -Numero de SalidasSistema • • • - • • - . . , . . • - • . . • • - . / . - - ^ , . , - . .
138 Kv. • * 80T 62' 8.531 ,0 .(curva para- 4 .aisla
- . . . . • - ' • " ' . . " • ' ':,"• . ; dores).' ..";.." • . - . " ' " ' ; .
-230 Kv , ' 111T; 79l '12.3^ O (curva para 12 ais-
.' ; . • - / . . . • • • " ' - . ' " - • " . • ' - . , ladores)".: " " / : ' . - . - ' ; . • " . ; • .
4.1.5.3 Descarga en cable de guardia (descarga inversa). . ;. • ; _ ' . ' • ' •
a. Método de Referencia 23 . • " " . " . ,.' -' :;
La resolución por este método, es en base a curvas
dadas en la Figura 111.35 de esta manera .podemos
seleccionar el número de aisladores en base a la re_
sistencia de puesta a tierra^ a la longitud del vano
y al comportamiento desado de las ICneas. La Ta-
bla III. 19 resume estos cálculos, . Para este cálcij
lo asumimos una resistencia de pie de torre de
10 ohmios.
135.
. ' •• T A B LA I I I . 19
SALIDAS POR 100 KM/AÑO POPs DESCARGA INVERSA
EN FUNCIÓN DEL NUMERO DE AISLADORES Y VANO
' . . '; ( R = V 10 ohmios) • - . • . ' . . - • -
No. de ais, ladores
- ; ' " ' 6 . * ' •
".3 V " "'
10 .
12" ' -
" :138 Kv. ;/_ '
. -VANO •- • : .,-' 600 - 800 " 1000
• . 3' . - . - \4- .2 -.4:7' . ; - ' : ;
1 .7 ":-..1 .8 ' ' 2.5 • /
.0.5 .0..62. -0.93
'• ' .0. 25 0. 31 .0.4 " " - . .
v .; • _ . - • ' - 2 3 0 K v .
' - . . " - VANO• " : 800 1000
:":10 ' 1 ..25 1 .85 /'
" 12 . ' 0.62. 0. 7 V
;Í4" 0.3 : 0.5
' ;16 •; 0.2' 0.3
-"18 -0 .12. '
10OO
2.2
0.75
-0.6 .
.0.3
0.2 ;
En base a estos .datos podemos obtener curvas del núme
-ro .de salidas de la línea, por descarga inversa en fun —
. " ' - . ' ción de la longitud del vano. Estas curvas están en la '
Figura 111.36. . , - -
4.1.5.4 Resumen del número de aisladores requeridos para so-
bretensiones externas
La Tabla III.2O nos indica el comportamiento de la li-
nea j de acuerdo con el número de aisladores escogido,
resumíer-do los cálculos realizados por diferentes meto
dos y par-a "condiciones standard. .
135,
Q-Tíífc-,"-.' .-"- / .--.; ,-•.--
TABLA TU . 20
.COMPORTAMIENTO DE LA. LINEA PARA. SOBRETEN-
SIONES :.EXTERNAS
(R =• 10 ohmios) .- " * . J W " u
No. de Aisladores-No.íidas de la lineapor 1 00 Km/año
N í.vid; -i (_JL^»^
.Referencia 1 4
•fRefer.encias^ 20
y 21
Referencia 17
138 Kv. 230 Kv.
p
9 " —
10 — -
* ~ s.*-
8 J. * H OI <^~ -,
9 14
10 16
14
16'
138 Kv 7/230 Kv
, 1.06"'" — - ^
0.9 — -
0.81 " '~7^
,v :-7^^ _ -— " i. ^~
o * ™ u * y
2 0.7
1.2-' -0.35
c
— - "i '1 9r
Í. 43
Res Ornen del Aislamiento requerido para diferentes .ti-
pos de sobrevoltaje • . .; . ;;. '.'..
"•'•' ^••^''••-*.'y^~*$f^s:&r&*<--*,J :;'-V La Tabla 111,21 indica el mínimo numero de-aisíaHores•f^^'/'. - - . , . - : - - , - ' • . - ;. - " - . - - ' ' - . ' - • -.; - - • ' • ' : , . • ' • ' - - ' : . ' :
• ': ^¿requerido para soportar-las sobretensiones'-qu¿";"sé pre-
sentaron en el sistema. - ; -"'• '••':•••.•.,•••''..:."'•-
-- -.- - ' . - ' ',-*$?'*'•'-• .'".'>~'
137,
T A B L A III . 21 , '
AISLADORES REQUERIDOS' PARA DIFERENTES .TIPOS
DE SOBRETENSIONES -
De frecuencia nominal
Por contaminación
De maniobra . .
Atmosféricos
Número .de138 Kv,
• . 6 ' . ' '
/ 10. :
."•:- ". - " Q. '--9 "" ' - ' -
Aisladores; -230 Kv..
8
' - . " 1 4 - -/..'
, . 1 ó'
14
4.2 COORDINACIÓN DEL AISLAMIENTO
La selección del aislamiento en subestaciones de alto
voltaje involucra el determinar un nivel de aislamiento
considerado como una aislación recuperable.. Esta se-
lección puede estas basada en los diferentes principios
indicados en los estudios de líneas de transmisión.
Las subestaciones tienen transformadores y otros equi
poSj cuyo aislamiento no es autorecuperable por lo tan
fco deben ser protegidos más cuidadosamente contra a -
verías del aislamiento interno, considerando el alto va_
lor de este equipo., asf como también las funciones vita
les que cumple dentro del sistema., igualmente la proba
bilidatí de contorneo en aire debe .ser reducido al rnfnimo,
138.
En subestaciones importantes la protección contra sobre
tensiones externas requiere el establecimiento de un ni-
vel de protección por medio de descargadores (pararra-
yos). .El nivel básico de aislamiento (BIL) del equipo
" . debe ser mayor que el nivel de- protección dado por los
• . ... descargadores con .un margen adecuado de protección '
: ' , ' . ' • - que debe tomar en; cuenta la separación entre los des " • — '
cargadores y el equipo protegido. Este margen puede"
. . ' • • " • " " - - s e r determinado,, con respecto a l "aislamiento e n aire., ; - •
•: / • ' . . por métodos estadísticos; pero para aislaciórí no autore
• cuperable cuya probabilidad de soportar cierto valor de
sobrevoltaje .no es conocida, este margen es elegido me
•-diante el empleo, .de factores de seguridad. • •. . ' . • • - . " - - . ' •
4.2.1 Aislación externa . ; • • • ..
. La aislación externa de los componentes . de .las subes -
taciones3 tales como soportes de barras desconectado —
ras, interruptores, transformadores de medida, etc. en
forma general se determinar fa de modo que su voltaje
critico de contorneo a sobretensión transitoria (Vjo-^r)
supere el valor correspondiente (Vjo-tr ) °,ue tienen los
tramos adyacentes de las lineas conectadas a la subasta
ción, en por lo menos una desviación normal, o sea.-
+ f . • (III. 43)
139.
Otro criterio al respecto es disminuir el nivel de aisla
miento elegido de la linea _, lo cual implicarfa un aurnen
to en el numero de salidas por ondas de sobretensión,,
de esta manera el funcionamiento del sistema serfa rne
nos efectivo. . , . . . " .
Considerando las ondas de sobretensión (sean externas '
o "de maniobra) que afectan a la subestación, debe tener_
se en cuenta los siguientes puntos; . . . . ' - " ; . _ • - . ;
- Para ondas viajeras que llegan a la. subestación, el
.valor de la sobretensión está limitado por el nivel .
de aislamiento de la linea. Se asume que estas on
das viajeras .pueden tener un valor máximo de 20 %
. - sobre el valor del CFO de la .linea (polaridad nega_
tiva). .
- Para evitar descargas directas es necesario apanta_
llar la subestación de manera de no tener ninguna
falla; además debemos continuar con este apantalla^
miento en un tramo de la línea de por lo menos
800 metros, desde la subestación_, de esta manera
cualquier onda que llegue a la subestación se origi
nará fuera de esta zona y por lo tanto esta sobre-
tensión será determinada por la corriente de des -
carga y las irnpedancias combinadas de los cables,
conductores y resistencia de pie de torre. Este
voltaje (Vi ) que viaja en el conductor hacia la sub-
estación es rápidamente atenuado debido al acopla-
miento de los cables de guardia y tierra; adicional
mente, existirá una atenuación y distorsión depen-
diendo de la longitud de apantallamiento.
La presencia de una descarga inversa en. la subestación no
puede descartarse pero la probabilidad es muy baja.
En subestaciones con., n, lineas la gradiente de la onda.,
y'su magnitud será reducida considerando la impedancia
de onda de (n - 1) líneas en paralelo. '- ' ' " ' .'.
En extremos, abiertos (final de barras, desconectadores
o interruptores .abiertos., etc.) las condiciones pueden
hacerse muy criticas por, la correspondiente 'reflección
.de onda,. ' . . . " ' - ' . > • ' . ; • ' . " ' ' . ' - / • " • ' . . - " ' " .
Las ondas resultantes pueden tener formas muy varia -
das pero de amplitud rápidamente amortiguada.
En cuanto a distancias en aire es necesario tener en
cuenta los riesgos de personal y vehículos que transiten
debajo de las instalaciones y equipos de la subestación.
Además se debe tener en cuenta el comportamiento
bastante incierto de las sobretensiones de maniobra de
polaridad positiva bajo lluvia debiéndose trabajar en con
secuencia con amplios márgenes de seguridad. Es pues
aconsejable adoptar niveles de aislamiento en las- distan
141 .
cías en aire entre, fese-ti erra y de cal, manera que supe
ren el nivel determinado para la aislación externa y un
criterio a seguir es el de hacer coincidir el valor \/5O
de la aislación en. el aire F-T menos dos desviaciones
normales cor,'el valor Vro más dos desviaciones ñor — :
males de la aislación externa. Las distancias así cal
cualdas deberán ser incrementadas todavía en .el orden
de 2 metros, si se debe considerar la altura de perso
ñas y en el orden de 4 metros si se traba de vehícu -
los. - . ' . . . • ' • • - • • - . - - . • . • ' . . . - . .
Es necesario también, tener ,en cuenta que pueden ocu
rrir ST simultáneas de distinto signo., en dos conducto- .
res próximos aún cuando la probabilidad de que se en_ •
frenfcen sus respectivas crestas es muy remota" ¿ un cri_
terio simple es,, suponer que en una de las fes es ocu
rre una sobretensión de maniobra de factor de cresta
igual a la rigidez dieléctrica'fase—tierra y que simultá
nearnente en la otra tiene una sobretensión transitoria
de factor igual al valor medio entre el anterior y la ú
nidad. Para determinar la distancia que sea capaz de
soportar dicha sobretensión, se recurre generalmente
al criterio de asimilar esa distancia con la distancia
de ensayo entre varillas (ver Figura III.39)
Obviamente las distancias de aire deben estar estima • —
das entre superficies bajo tensión y no entre ejes de e_
quipos o sus conexiones, además deberá tenerse en cuen
142.
-ca los desplazamientos provocados por el viento/, las
.oscilaciones, causadas por esfuerzos electrodinámicos
y la incidencia de efecto corona.
4o2,1*í Número de aisladores y distancias mínimas en los corn
" - " "*£* ponentes de la subestaciónV*<S* * • ,f *
De los criterios anteriormente descritos y utilizando
las Curvas de las Figuras 111.38-39-40 obtenemos -la*• • í-
siguiente tabla.
•TABLA" ,"21
NUMERO DE AISLADORES V DISTANCIAS MÍNIMAS
(a nivel - del mar)
138 Kv. 230 Kv,
A B C A B v "^ C
'Aislamiento de la 1T
Aislamiento externot—de la subestación
Distancia fase estru£
tura.
---~ Disrancia fasé-fese
Distancia conductor a
cierra *
^ en metros
9 850 580 14 1257/ 650
1O 880 600 15 : 1,300 -S7O
1.8 880 —
2,5* 38O -T-
2,5* 13OO
3.1* 1300
" ,750 2.6* ^-830
143.
7\ = Numero de, aisladores standard,.
B = BIL (Kv,)
C .= CFO ar sobretensiones de; maniobra. Kv.
Las distancias dadas en la Tabla anterior^, son las dis-
tancias mínimas, las cuales deben ser corregidas al cori
siderar la oscilación de conductores y factores de segu_
ridad., la distancia conductor a plena tierra debe ser un
crementada cuando los conductores pasen, sobre canranos
de,, acceso, como-se-indicó anteriormente. La siguien-
te Tabla nos indica los valores de flecha a distintos va^
nos..
T A B L A III . 22
VANOS' V FLECHAS "EN .CONDUCTORES DE LA -SUBES_
TAC TON
• -.CONDUCTOR'
Vano (m) . .
'"."'. 50 - : • - ' • '70 ,
V - 100
( • • - . ' - . ; _ •
C1t13-KCM) . ":
. Flecha (m)'
/,"• 1.1
'1 .54
2.04 .
" Cable- de -.Guardia
Flecha (m)
• , - 0 . 65
0.92
• 1 . 1 5
(3/8")'
Los valores de esta Tabla deben tomarse en cuenta don
de sea necesario/, junto con la Tabla III. 21, así por é-
:144.
jemplo la'distancia rnfnimá entre conductor (230 Kv.) y
un camino de acceso será de 8.14 metros. ' !
Alslaclón Interna
El nivel básico de aislamiento para diferentes niveles
de voltaje lo podemos ver enría :Tabta- III//2G"* -,r\Én;/és.'
te tipo de aislamiento desempeñan un. papel -rqúy Áñipor •
cante los parámetros característicos de los descargado
res„ .. ";-' - ' .- ' . - : : " . " - : ' - . . - ' - - . • • " ': /•'•'' : -.•"• •. "•
4.2.2.1 - Selección de Pararrayos
_ . . r _
El voltaje nominal (RMS)' del; :iparar rayos -es
tal manera que este no 'sea menor que "el 'sobrevoltaje '.,'•
de .frecuencia industrial a. •tierra en el punto de instala-: ' ~ -:.;'- " ' . - • ' ' • " • " . - " ' - " • • : - " ' . ' ; • • ." - ' :' • ' • ' - ' - ; • ' ' - ~'¿¿. ' . ' . ~ción bajo cualquier condición de falla,, utilizando ;-la sí-.
guíente fórmula; : "";" •'•'''" ' ; . - • • • ' • ' • - " _ - • - ' - . -;;
Vr ,05 x Kr x (III, 44)
Donde/ . . , .
KF . ? = " " Factor de sobretensión a" frecuencia industrial.
'V - = Voltaje nominal del sistema (L-L). . ' -
La Tabla III .2 4 resume los cálculos aplicando la fórmu
ía I I I»** , - valores c'e la Tabla líí P 1 y factores de sgbr^e
tensión*
145.
TABLA -24
Voltaje delsistema
Valor calculado Voltaje nominalelegido '(RMS)
138 Kv.
:230 Kv.
"1-1.2
'175
120 Kv. '•'"/•;
180.'Kvv;v:
Los demás valores carácterfsticos podernos .verlo ^en la
-Tabla III. 1 ." La corriente de descarga puede sér,'calcu_
Jada de la siguiente manera:
Id =
Donde:
Vmay
Zo(III. 45)
I tí
Voltaje crftico de descarga del aislamiento de
.la linea., para .ondas de rayo, ^; : •' -:i^;^,':\;v^^:-^>;.
Voltaje de descargas para ondas de 8/2O':us;.
Corriente de descarga (no deberá ; ser :menór. ' --'•
a la calculada por la formula III» 45 ). :
Irnpedancia característica de la Ifnea.. • . '
Aplicando las. fórmulas -indicadas se tienen los valores
de la Tabla 111,25.' - .-. ;. :"
TABLA' T Í I .25
Voltaje del Sistema V,mox Zo
x:.:.; • 138 Kv.
::'.:'..-' ;".:':' '230 Kv. •
- 845
1275
388
V 362
:272;V
• -:;4óé^;
:< :4r::KA
->Í;6;KA;
Consideramos corrientes de descarga de 1 O KA .
4,2.2,2 ..'"Nivel de aislamiento del transformador
;;.La magnitud de algunas ondas viajeras en' diferentes -; "/..• '
Apuntos de la subestación excederá el nivel; de/prptección
.en valores'que dependerán de. .la distancia a la./cual es "..
"• tá colocado el pararrayos/ de la pendiente de la onda'':-:; -
V y. de -los parámetros eléctricos de la subestación; es .ne
• cesario pues, realizar' una adecuada'Vocalización de'los
-aparatos de protecci&n*. % - ... ;-",: ;. :-\ ; ' ;
..,El nivel básico de aislamiento (BIL) es a menudo deter^
' minado añadiendo un margen de 25 a 3O % al nivel de
protección del pararrayos y seleccionando valores inrne_
dtatan-íente superiores de BIL normalizado de "la T3-^^
Para un cálculo rr.ás preciso es necesario .con
el efecto de la distancia, • '••'• V"."V"."'
-^d^¿-
^-"•'
147
Cuando el pararrayos establece un nivel de protección
contra ondas de maniobra., el margen sobre este 'valor
será de 15 %; este valor de rigidez dieléctrica del ais
lamiendo se lo ha denominado SIL y tiene .un valor -i -
gual a 30 % del BIL.
nuestro' "'caso .tendremos;
T A B L A II I .26
-Volcaje del Sistema SIL BIL.(calculado)
, BIL(normalizado)
-138 Kv, ::, . '327
230 Kv. . ;. ; 460
..f BIL "reducido .en .2 pasos.
**. -vBIU reducido en 3 pasos»
392
554
_ 450*^
" 650"*
4.2,2.3 " -Efectos de la distancia
este estudio podernos considerar una condición de• • - • ' ' - •
-emergencia en la cual está, conectada a la subestación u
na sola línea por la cual llega una onda de' frente cons-
tante; en principio_, el transformador puede ser conslde
rádo conno un circuito abierto y el pararrayos puede
jser- considerado como una fuente de voltaje que cancela
la onda.-de sobretensión, . - -. • .
''**-'^t^a¿\:
1-48.
Considerando un esquema formado por disyuntor en se-
rie con un transformador y teniendo un pararrayos "co-
nectado entre estos dos equipos _, podemos representarles
en un diagrama de Lattice como en la Figura 111. -1 j de
aquf se puede ver que el máximo voltaje .en el equipo,.prp_
tegido y -a una distancia D desde el pararrayos., será-: .,
V(D) = Vp 2ST (Til. 46)
"Donde: ' • • - " . . ' - - . . " ' . . ' - • - : : , . - . ' . . ' . " • - , . " ' : - • . .^-vV •' — > - - -
T = D/u representa el tiempo de viaje de'la .onda en
.tre 'el pararrayos y el equipo protegido, él;.valor
de V(D) no. deberá exceder de 2Vp ; "este/valor . . - • • .
máximo se consigue para 2T > T^? siendo. 'vTo.';-^ ;"
tiempo en el cual el pararrayos descarga. ":
Una subestación real es muy diferente del modelo dis-
cutido anteriormente, una corrección importante es td-.
: 'mar en cuenta la impedancia característica" del tran'sfor
. ; mador, • • . " . . • ' • - '- ' - ' ' • - ' !V""" . 1 ;> 1 " -"- \•
¿4¿it'L-á.. inductancia del transformador puede ser despreciada
'C¿1- ~ Sin mayor error a causa de su relativa gran constante
de tiempo (L/Zo). . . " - .
-v':.-;. Las capacitancias concentradas cerca de la entrada de .
vr"ta~-"subestación tiene un efecto beneficioso en la r¿6uc-
ción de la pendiente del frente de onda de la sobreten
149 :
sión incidente, Se ha establecido que la caída de vol-
taje en el pararrayos puede , ser calculada . con.\la siguien
te fórmula; . . . . " .
= L_ di/dt , -.(III. 47)
Donde: - ' / ' ' : ,
L = Inductancia de conexión parar rayos-líneá..
Cuando se añade este valorea!' voltaje de descarga del
- pararrayos., un nivel de protección más real es obteni
do. La variación de corriente con el tiempo puede
-.-V- — ser aproximadamente estimada de la máxima corrienteI^f"^- ;J ' .' . • ! - ; • : ' " . - . "- - " . " - - ;^'". . - - " ' " _ ' * ' •*- ' /
* , - y del tiempo de. frente de, onda de la. sobretensión. -
La puesta a tierra del pararrayos no entre, en los cál-
culos pues se considera que todo el equipo está ;conéc
tado a la misma malla vde 'tierra .
4 .2*2 ,4 Distancia máxima— Alcance de la protección
Otra alternativa para considerar el efecto de la distan
cia máxima cíe protección es elegir un pararrayos., se
. leccionar el BIL del transformador, y luego calcular
la distancia máxima del alcance de la protección^ ufciU
' zando curvas precalculadas (Referencia. 24) de la
ra III .43
15O.
•;a . Parámetros que afectan .la distancia de separación
Los principales parámetros que afectan la distancia
son; ' . • . . - ' ; ' / ' . - .
- La magnitud de la -onda/de entrada la cual puede
ser calculada en la forma indicada en la sección
111,4.2,1 * ' / - : " " • ' . . - . - " - . " '\a pendiente de esta onda puede -ser asumida 'como
de 1.000 Kv/us. - • " ; ' " " - : J- •::,"•' "-.'." ' -
Las características de los pararrayos. - *
Impedancia característica del transformador, ^ - "
Forma y magnitud de;la:onda de .voltaje permisible
en el transformador. • . ; /. •
Impedancia característica de la línea de transmi -
sión^ barra y conexión 'pararrayos -línea .
Voltaje nominal del sistema '(Es). .
a -1 Cantidades en por unidad;
Para simplificar los cálculos utilizamos .cantidades
en por unidad'y son las siguientes: .
Distancias S y L (distancia eléctrica'de transforma,
dor a pararrayos y. distancia eléctrica de entrada -de
la línea a pararrayos respectivamente), ' ,;.:;;:---:,..
151 .
Impedancias características de la línea, barra., .etc.
Impedancia característica del transformador (C).
Voltaje de descarga .del pararrayos (Earr)^ A *
Pendiente de la" onda de entrada de/dt,
Velocidad de propagación .(v)
Voltaje de frecuencia industrial (Es). _ ^, -s t
.Nivel de aislamiento .de. la ': "Ifnea (e).
Combinando estos .parámetros _ , " ' el voltaje en el.,trans
formador será:
.== . f(L, S, v, de/dt, ZC, Ea 9 E) (III.
a.2. Valores base
Base de voltaje
El voltaje Ea es definido como el voltaje de -desear
ga. del pararrayos a 10.000 amperios más el volta
je cresí;a-linea-tierra a frecuencia industrial; .,'
= &-árr, •+ 0,816 Es (Kv,) • .- (III.49)
Es = Voltaje nominal del sistema Ifnea-^li
152.
• ciase d e tiempo : , . _ . .- ' _ - ' - . . . . . : .
Se ha definido como base de tiempo, el yaJior obte
nido de la división del voltaje base., para la.-pen, ;~
diente seleccionada. • \. ;" • : - ..-; ;; "" '- : - '
—T— ' Ea(Kv.)• de/dt (Kv/us) ' : '; - . - - . . - . : .
Ease d e distancia . " ' • • . . - \. ' ' " . . - , - ~ : • " . ' - ; •"•> ' : '>:• . . f'1-.' _
Se ha. definido como distancia base.'al .producto de
la velocidad de la luz (asumida como velocidad de
propagación de la onda viajera) por el tiempo ba -
Se t ' " " \" :
D = T x V (III. 51)
.Por lo tanto la distancia de separación S y la'Ion
gitud U en por unidad serán: ''.->" . - - " . ''-""'•'
SD
L_D
y
-Cra.52)
La constante ZC en por unidad puede ser encontra_
cfeí de la siguiente manera t . .
ZC = x 10
153.
Estando Z en ohmios y C en uF.
El voltaje de entrada en por unidad será-
1 .2 e +
E a.(111.54)
Siendo: ' "" _ -
e ' • * = Nivel de aislamiento de la -línea.
• E - '=• ' 0.816 E . /.-Voltaje Ifnea-tierra- a -frecuen
-' - cía industrial.
Considerando el voltaje máximo .en el transforma -
dopj el cual, puede ser definido en términosr/Jdel
BIL del transformador. Dos criterios pyeden defi: • • - : ' '' •- f
nir el. voltaje máximo^ el uno es utilizando el "vol-
taje de pruebas a onda cortada el cual es 1.15 ve-
ces el BIL del transformador^ otro .criterio es utí_
lizar la prueba a plena onda, p BIL .del . transforma^
dor.- El cambio permisible en el voltaje en .él"
transformador será definido de la -siguiente-' manera:
.15 x BIL +
+ E ¿
Estos voltajes en por -unidad serán
Ec =1 .15 x BIL + Ed
(III. 55a)
(III, 55b)
CIXI.56a)
E.C .' =B!L + E
Calculando para nuestro caso
©(B)
(E)
CF)
(H>
©
©(K)
230 Kv.
180 Kv,
65O Kv~
1275 Kv..
500_ Kv/us.
18 mts. (591
400 Kv.
3.800 uuF
.188 Kv,
588 Kv.
1 .18: US..
1 .'180 pies
..138-Kv.
120 KV.
'.450 Kv', „'"• ., **
850 Kv. ' - ',
500 ' Kv/us t
13 rr,ts."(431)
'388 .*
272 Kv.
S. 'OOO/uuF.
113 Kv. - * A.
385 Kv,
0.77 US.:; .-:
770 pies
:*&ff*gG!!¡8&?',*•..•„:,.-
":"'"-:::-': ^í
A . ' Voltaje d e l sistema - . • - • . " . . - . . V;;"; ' .-•--•
B Voltaje nominal del pararrayos. . ..7 . .
C SIL del transformador,
D Nivel de aislamiento de la linea.
E Pendiente de la onda • ...
'-F Distancia desde linea a .pararrayos, " :
G Impedancia característica de la Ifnea.
: R Voltaje de descarga del pararrayos (a líp.OQO
amperios), • . . - ' . .
.1-55.
•>-:;-,CO Irnpedancia característica del transformador.
(j) Voltaje dinámico".Ed = 0,816(A) / . - ";.
K Voltaje base E a =
Tiennpo base T =
NJ .Distancia base D = -\
Cantidades en por unidad requeridas para'.'útilizar
las curvas y tablas precalculadas
L ;.= (FKN) -
.Ele. • —1.15
ZC =10
-0.05
1 .59
2 ..92
1 .37
O-. 056
1 .64
'£,94
2.5 '
"Distancia de separación; ; '-/ . ..- - ^ - V ^ "
De la Figura 111,43 encontramos S correspondiente
a Ej Ec, 1-5 Zca . . ' . . . • . ; ; . - ' ; .
S . 0,072 • " ; / " . -0.075
0).- Tiempo _ de cresta - ' , , . . . • ; . •
De la i abla ni.27 podemos obtener tc
. t^l '-T-í T.»*-••'• I"., t1^T'Í-.Í-ÍÍÍ*-.,
Tiempo de cresta = (£/?) x t¿ = para 138 Kv 2.19
para 230 Kv ;2..5-''
(£ / ." Distancia de separación '•/• ?•'*•'•*''•'-•',
-Si el 'tiempo de cresta es menor que 3 us. -"se
de calcular de la siguiente manera: -'; •'•\".--..f-''2^
l ,S ' ' = . S x (Q) ~ para 138 Kv 581 (18 rnts.)
• ./ ' . . " - para 230 KV 85' (26 mts'.)
- . - - . . . - . • _ •;-;., - . , : ^Perp si el tiempo de cresta es mayor que 3 us . se
¿y.:i- -': ' /calculará un nuevo Ec de la .siguiente manera*
.-.Con este nuevo valor -podemos calcular :un nuevo ~va
lor de S utilizando las curvas de la Figura in.43,
4.2,3 Número de pararrayos
'.&.*-'',' í - ' • - • . ; ' . ' '
Corr.o vemos, la distancia de protección del pararrayos
es de 26 metros para 26O Kv. y 18 metros para 138 Kv,
- . . - . . .pero la distancia real en la subestación entre la' entra-
'da "de la Ifnea y el transformador es de 230 metros pa_
3O Kv. y de 15O metros en 138 KV, por lo", , fcanfco es
necesario tener dos pararrayos uno a la entrada-'; cíe 'la
157
línea y otro cerca al transformador ¡ tanto en 23O Kv,
como en 138 Kv,
necesario sin embargo., chequear que la onda, de en
tráda no .exceda -el BIL_ standard' sin reducción . ndel. ^ré's-*'> "*
~to del equipo,, esco lo hacemos partiendo de criterios- - - - ' , - "_£•
dados en las secciones 4.2,2.3 y 2.2.2,4 de este Ca
pfbulo, ' - " / " • ' * '''r' -
Voltaje en el seccionador cercano al transformador
Datos
VOLTAJE DEL -SISTEMA. 230 Kv. 138 Kv.
Diámetro del conductor
Inductancia de la linea
Capacitancia de la linea
Impedancia característica
: Zona de protección
Parar rayos el eg ido
Voltaje de descarga- del para-.
" rrayos en el frente de onda
(Tabla III. 1)
Voltaje de. descarga del pa-ra_
rrayos. a plena onda de impul_
so (Tabla <I I I . 1 )
'-1 .259'.
(3.2 cm.)
1,23- uH/rn
9.4 • uu F/m
362 V. "..
1 ,6 Km. .
120 Kv, "':
53O
400 Kv,
0.772*
(1 .96 cm . )
1 .3 uH/m
8.8 uuF/m
;."1-.6 "Km.
,130. Kv.
,347 Kv.
•158.
J VOL-T AJE. -DEL." SISTEMA. " 230 Kv. . •"; '; 138 Kv
Voltaje de descarga máxima pa_" • . ••-// '
r a onda de maniobra (Tabla . " .
III. 1) . : • • . .. V. • " _ " .;•- . 400 Kv. . ; . : 272 Kv
1 i.Dtscancla desde el pararrayos " " • '.:- "v.' • , ; - . .
al .disyuntor ;: ^ - . y . f ; • " j.60 m.- "' .
Distancia del pararrayos 'en la . . , ... -.
linea " • . - " - ' ""-" ' '.V'--- . ' . . ."' ,18 m. ./.:
.4.2.4.2 -."Cálculos
Onda viajera al .principio de la , . - . " ! ;.; , \; , v "";-'. '/
zona de protección (1 .2 .CFO - . " / - - ^;>;^;-*.. :• '
línea) • • - - . / ." " . '"" - ^ •- ' ' 1 -530 " - ; ' " 1ÍO20- . / - .
Voltaje '-de incidencia corona . . , - . • - . - - • / . : ' :v /Vv- ' ; J
(fórmula 111-22) • " . 280 Ky *"/ / . ." .-18O Ky"./ V
Voltaje atenLíado después de , , •- ,' ' . .
viajar 1 ,6 Km (Por. 111,26) '. ." -976 Kv, •"; '. 820'Kv.
Tiempo d e frente d e onda (Fi_ • ' : . . . _ • , - '
Q^ I I I . 15) . . . 2 us. ,;- 2.1 us.*-'• ' - . . .-
Pendiente de onda (s) (voltaje •; •
áterv-ado/ttempo de frente de - ' ..; ' ;
onda) : 490 Kv/us ."' 39O Kv/us1 " v , • ' ' • ' • . "
-^ ' ;>: . Corriente d e descarga-(2 x • • • - . - . -
'•"VoÍáje-atenuado/Zo) . 5,5 KA . 4¿2 KA
. 159.
VOLTAJE .DEL SISTEMA 230 Kv. 138. Kv
Voltaje de descarga (Fig > III .-
Corriente de descarga (Fig, III
Cafda de voltaje .(fór . .III. 47.) ,
Tiempo (T) de viaje' de la .on~-
da:' desde el pararrayos al sec_
donador (T - D/u) • .-; . - .
Efecto de distancia (2ST)"' ; • '
Voltaje pico en el seccionador
370 Kv,
4-4 KA
49 Kv.
.225 Kv,
"3,6 :KA
-65 -'.KV-
.0. 5 us..
. 490 Kv_.
909 Kv.'
0,2 .. us .
156 Kv.
457. Kv.
equipo de la subestación como seccionadores / 'disyun
tendrá'un BIL- igual _al indicado en la. Tabla ,111.2.3
sin ninguna reducción. El voltaje pico no excede dicho.' ' ' - ' '
La Figura III. 44 nos demuestra la coordinación del ais_
- larniento de- la subestación,/-,;;/ * _ • ' ' : ' • •
CAPITULO IV
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
En base a los cálculos y resultados de los tres Capítulos anterio
res podemos concluir lo siguiente: , .'. : • - , ' •'..-••
- El esquema de barras elegido para la subestación Boliche,'es.
el. que lo hemos denominado, mixtoy o sea doble barra en 230
Kv. y barra principal y'transferencia en 138 Kv.' . . . - ;
- .El costo de este esquema no difiere mucho del de doble ba —
rra en 230 y 138 Kv,,, asf como tampoco del esquema anillo
;. para los dos niveles de voltaje. - :: . ' . ' • ' • ' : [ . ' :
— El conductor para la malla de tierra será de cobre y su ca—
. 'libre No. 4/Q AWG. ' ' . . . ' " ; ' . - . - . , . ' . . - ; - . • ;
- La longitud del conductor de cobre será de aproximadamente
5.000 metros, obteniéndose un cierto margen de seguridad
frente a la longitud de diseño, .'
- Los conductores de la malla pasan cerca de los equipos pa- .
ra una fácil conexión a tierra.
- Dada la baja -resistividad del terreno los potenciales de paso
y contacto han sido controlados sin necesidad de incrementar
.161
, en forma exajerada la longitud de la .malla.^•tjV • ' . . ' . ' • -La separación máxima entre conductores paralelos es de 5O
* rnefcros, " " ,•+ * • . - • ' . - .
Los cálculos se; han realizado considerando grava sobre la su
perficie del terreno de la subestación., "a fin de incrementar"*'*'* -'/ . ' •'-':•.-''' " . . - . ' • ' . - . - • " ' _ • ' • " ' •=*
'tos potenciales de 'paso y. de contacto 'tolerables_, esta es--,ne-
cesaria. además por las condiciones .de-humedad del terreno.
" . - ' . . • ' . - • - - - - - . ."1
La resistencia de. la rnalla, -considerando el diseño prelimi -
nar, tiene un valor relativamente- bajo (0.25 ohmios) y aun
'puede reducirse para el diseño final. • ' . . ' **
^Se.'han colocado electrodos,' para .'la." puesta,, a .tierra,'...del" para
-. :rrayos-y en sitios claves de la malla. . " • ". : . " : ' - ' • ? ; --::;
.:La cerca estará conectada a la malla principal y colocada: a
, p'pr lo menos 1 metro dentro .del conductor periférico dé. la
.malla."- • ' - - • - - - - " " ••••y'. ']".'.< -"""^
•jkapto al aislamiento j la contann inac ion es una exigencia
-"• •"."' " ' muy severa para la zona 1, ya que para compensarla serían
necesarios 1O y 14 aisladores para ICneas de 138 y 23"0 Kv. ,• • "- ' " " • . " ' • ' ' ' - > - - '.- ~~''- ••-
....,;: respectivamente. . . . '.-,•''"-'•:~<:¿-'•'.'.••'.''•'
"^^fe^-SSC-^-' -"--" -V* '••'.*• • : • " • " - " - - , ' • ! " •-,'". ' . "'' ia^feáí^^"^;/'1 . ' - • • - . - ' " • • - ' - • - . - • . • - • . •«" " : • - ; • - • - - • - - • -- ""• "Elsífe :prbblemá lo podemos obviar utilizando aisladorés^.típov
F"OC3; para.-líneas de 138 Kv. en la cual serían necesarios v
162.
7, aisladores de este tipo- - * - . - :;,v; •: -::
En-las lineas de 230 Kv, utilizamos los aisladores .normales
pues como se deduce más tarde_, la contaminación exigirá un
aislamiento similar al de sobretensiones externas.
fs~ sobretensiones de maniobra no son determinantes en al--.* • • • .aislamiento de las Ifneas.
El número de aisladores seleccionado'es de 9 en,líneas.-'de
138 Kv. y de 1.4 en líneas .de 230 Kv.¿ esta selección ha si
do/hecha en base de las exigencias por sobretensión externa
>,y- permitiendo como máximo una salida por 100 Km/añp/cir —^--c* ^ ".; ' ' ,- ->cuito^ considerando "una. resistencia de oie de torre de ,10 oh-
mios. •
Los cables de guardia en la subestación están .colocados a 2.1
metros de altura como minimoj dando el apantallamiento ne-
cesario, para evitar descargas directas" en conductores .de fa—
Él aislamiento externo de la subestación es mayor que el de
la línea. \ _
pararrayos elegidos, son el 120 Kv, y 180 Kv. de valor
nominal (RMS) para 138 y 230 Kv, respectivamente.
163,
Los, autolransformadores tendrán un BIL interno de 450 Kv (re
ducido en, dos pasos) en el lado ds 138 Kv. y de 65O Kv.
^(reducido en 3 pasos) en el lado de 230.Kv.T^- ' . ' - - •
- ' *
La distancia máxima de separación entre pararrayos y auto
transformador es de 26 y 18 metros en los lados de 230 y
• líSS^Kv. respectivamente. ..".Por ,lo tanto-, :se han hecho^nece
sario utilizar .dos pararrayos, el .uno en la entrada de la
linea y el otro cerca.al transformador, .
El BIL de disyuntoresj seccionadores, etc-, será el normali
za,do para ios voltajes, de .138 y 230 Kv. (sin reducción de
\pasbs). - . ' • .. -"/. -• : '".";./.;". . ; . - _ - - . . " - ' . . . • • • •
Se recomienda .una .zona; de protección contra descargas di
rectas de 2 Kms. en las lineas- de 230 Kv. y de 1 .6 Kms.
en las lineas de 138 Kv. en la' zona, adyacente a la .süb;esta
cien. . . . . . : - ' • . -
Se debe mantener un: factor de puesta a tierra bajo para 1_T
rnitar la sobretensión de frecuencia nominal a valores ,del
80 % del Á^alor de voltaje línea-H'nea, :
Los disyuntores de 230 Kv.. deben estar equipados con'vresis_
de preinserción de 400 ohmios3 para limitar las sobre_
transitorias. - . ' -
" \ ' ' - ' • ' ; • : • ";-' ¿S:-f;.-: - B I B L I O G R A F Í A " / •• -..-'-¿-^v--
•1.:;..-ESTUDIOS:DE PROYECCIÓN DE LA DEMANDA-vS¿,
i": - ' - • - " • - . " , Año- í 990-- TNECEL . , - ' ;'..; --;-; ; : :í ' ' ' • " ; . O-;^vÉ?
^ESTUDIOS -DE FLUJO DE. CAí^GA: (MÁXIMA-CARCHA)K~^-- - -.:••--.'"'•'.•• • •• • -' :':-^ • •v;;-/:' T:-::•-•'•'.-'.' '::-::-v'-^-^ífví-Tnstituto .Ecuatoriano de Electrificación. - -• - /" ," ' . • -";-';ír;,
Quito;;-..•'.- ; . - : . "• " . - ; _':";.>_.;. •^•.•:-:_ •-•. -•-'-;?^;/s^|
3.
4.
SISTEMA NACIONAL DE,: TRANSMISIÓN -
Funcionalidad de Subestaciones , Selección de Esquemas
'instituto: Ecuatoriano de Electrificación , * V -''
GUIDE POR SAFETV IN ALTERNATING-CURRENT SUB— •
STATION GROUNDING '
AJ.E.E. No. 80
5,:-.::;.."•.-.;GROUNDING PRINCIPLE:S AND PRACTICA
V-;A.Í:.E..E. - Enero -1945, ". ; :'••""'• :
B." -"^GOOD GROUNDING CUTS DAMAGE
Norman A* Bolton
-ON EARTH-RESISTANCE TESTING- - . , .
; 'Eidcíle Co,
165.
JB, ESTUDIOS DE CORTOCIRCUITO DEL SISTEMA NACIC^
~ S:>ÑÁL INTERCONECTADO
- Instituto Ecuatoriano de Electrificación _ * , „v-"
' ""r Quito. ,- v
9. ' --vELECTROSTATIC EFFECTS OF^ OVERHEAD TRANS -^-Z-Er- , ._ * .
_;*#. ^K * - - ' A 7 " », * -
'-^^MISSION LINES - PART I - MAZAROS AND" '
General Electric Co. • -
10. GROUNDING POR SUBSTATIONS
C'.ri. Jensen
EXPRESSIONS POR THE RESÍSTANOS! OF
" ' GROUNDING SYSTEMS ' '- **$[*"
S. J. .""'Schwarz
E A.I,E.E. 1954,
"MÉTODOS TEÓRICOS DE OBTENCAO DOS. RESISTENCIAS
•DE 'MALHAS DE TERRA E CQMPARACOES DE^SEUS
VALORES COM OS. VALORES REAIS .OBTIDOSV-ÑO.-: LOCAL
;arto Limociero Brussi
CÍER 19740 . - . - . , . • ,..
U&S;.SOBRETENSIONES Y COORDINACIÓN . DE
Praderi • :•••í^r-¿^-^
:; .:.-^fg^" ¿t:'^: vv ''-'•.-• -:.:-
i 66.
"•14¿- .r: IÍMSWUATION OOORDINATION IN HIGH VOLTAGE'''Et-EC-•j&~' """
POWER SYSTEMS
-:W«. Diesendorf.
15. TRANSIENT NETWORK ANALYZER STUDY
Q ectr ic Co V
16. ^TRANSMISSION AND DISTRIBUTION< -j"- •*- -<íí"' , : - " . ' " _
•=- -%t ** w', ^ Reférence Book
Westinghouse Electric Co. ,
17 EXTRA HIGH VOLTAGE TRANSMISSIONf c M ^ ' • ' • " • - .rSt-ÍTa- ^ •• - .- .
Reférence Book
Edison Electric Insfcitute-
18. " EL.ECTRICAl-TRANSIENTS.IN POWER SYSTEMS
Alian G. Gr.sendwood
"-rr"HE.PROTECTIÓN O.F TRANSMISSION SYSTEMS A -
. . . . . . GAINST L.IGHTNING ' .
^ 'W*; W - Uewis . . *V
20, v^THE .MECHAMISM OF UGHTNING FLASHOVER IN EHV
-LINES--;. - . - . . - . . . " ' . - ;: - . : . • -
- E.R. .Whitéhead Electric Cigre. ; -
167,
. OF TRANSMITION .UINES
F'.S, Young - J.M. Clayton - A.R. Hileman.
221 ,LJGHTN!ING ARRESTER SEMINAR
General Electric Co. ~ .
LIGHTNING PERFORMANCE OF TRANS -
I .M... Clayton - F.S . Young .
.24. ; .SIMPLIFJCED METHOD POR DETERMIMNING PERMIS
1 SIBLE SEPARATION BETWÉN ARRESTER AND TRANS
fFORMERS \1 «' st —v1 , , -,
.A, !',E. E., Committee Report.
25, • .TRANSÍ ENTS IN POWER SYSTEMS.
H. Peterson . . .
"í:-Víü-i'
TRAVEL1NG WAVES ON TRANSMISSION .SYSTEMS
L.V; Bewley
~**$Sff5&?'" ' ' ' '-
IKTERIM.REPORT - MÍNIMUM EL.ECTRIGAL
OLEARANCES FOR SUBSTATIONS BASE- ON SWITCH-
SURGE REQUERIMENTS ': . -,' . "
>E.E,. Committee Report . . - *-,;.;.
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0.15 1 r 97 S . 03 3 . 46
Q,05 1 ,39 2. .55 3.48
O.tQ Q-1Q 2.p§ 2,77 3.61
0,15 .2,21 2.97 3.79
4
4,33
4,67
4.68
4.96
5.18
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Rp LA PESPARGA QEL RAYO
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DISTRIBUCIÓN ACUMULATIVA DE LAS MAGNITUDES
DE CORRIENTE DE DESCARGA DE RAYO
1 (AIE.E); 2 (Anclersop)- 3 (Popolansky)
* c TYI o
IIT.4
TIEMPO DE PRESTA DE LA CORRIENTE
1 CATEE)
2 (AnclepSQp)
(o)
; Figura -111,5
FORMAS TÍPICAS Pp QNPAS DE MANIOBRA
a. Iniciación 3& Mna falla.
b. .Despaje de f^ll^.
c. Epepgización efe Ifpea.
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H'| (onclcis po oontrolaclaa)
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7.0
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2.5
ni .7RELACIÓN ENTRE FUENTES DE
III.; 8
MAPA GERAUJMICQ DEL ECUADOR.es
.'•'• fí
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T 111,11CIRCUITO THEVENIN ETtE'PARA DESCARGAS P ' RAYO
I = -de•de descapga a tierpa,
- Cqppíppte de despapgade 2.
de qpda ídeld.e d.espapgapDqo-aoQ
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Figupa III. 12
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PE QNDA D£ UQS VDUT AJÍES ATENUADOS PQR* EL EP.EGTQ QPRQNA
Syrgcd phos; q
ofler (raye!
> íTí fi H 5- V ,o ¿4 , e.
Pigj-lpa III. 14 '
ATENUÁOIQN'Y PI^TORCÍÓN DEBIDA A LA FORMA DE-PRQ PAG ACIÓN
•] . Cornp,Qpente$ de la Ifneaí '
2. Oqrnppfieptes de bieppa .
3. Qnda cíe voltaje total "1 i.) ' ! * n • • i ' . , . ' ' . •
2800-
o (600 -
5 J2PP -
Ftg.. cja.la pencji,e de ondas viajep.as;
9 ^ TsJ.ol o/e U /V>?«óí Cí^Tn.5 ' ' ' -.-"•' *'- ^ • >• - ti.--"-
Fig. TIT.16 - EFECTO
1 , Sin compensación.2. Oompeneación de 6O % de
tancia serie.3. Compensación de 60 % de
banciri serie y 70 % reactqp
75
VQLTAJE; MÁXIMO L-ÍN^A - TIERRA"' ';(R '= :R • = 0..1 X )
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Q •» . Angulq cjo npanNI^míanto rnocllo
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ANGWI-P ORítlQQ
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PARA APANTALLAMIENTO
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Figura III . 33
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DL" AISLADORES11% POR OUTER PHASE -
"CORONA RINGS REDUCE STRENGTH' O T O I¿ UNITS
- - S E E P!G G.22 POR HANGER -C O R R E C C I Ó N
16 10 20 22 21 2G 20 30 32 34 36 38 10NUMGíin.OF 5^ -A 10 ¡n INSULATOR UNITS
l-igura III .C-J4
CURVAS PARA ONDAS DE MANIO-
BRA DE POLARIDAD NEGATIVA
Insululor unils 10mdio.,5 J ¡n(2S¿1¿5 mm) spacing
3 4 5 6 7 8 g 10 U 12 13.14 15 16 17 18 19 20 Standard ¡nsulalorGap opacíng, (In'ches) 10 15 20 2S 3035 4043 50 55 60 65 70 75 80 BuGap spaclng ímetrcs) 0.25 0.50,' 1.0 1.5 2.0
unlls9095100
i2.5
Figura III. 37
VOLTAJE CRITICO DE CONTORNEO'A ONDAS DE IMPULSO PARA CA
DENAS DE AISLADORES (standard) Y DISTANCIAS ENTRE VARILLAS
-Vl.filiCiU. r v;n.-,uwATic'j
/v u,..... , -.. j (
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""'•r / • / ' /•-; • - / • • • /Mt,rr f ; / • - • * - : /;..,vjs / • '/ / 1 .y'• . . ... i -. -. S-f.. f -X -
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^sígnpi^ ,de pig de lpf[£(p
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P DE LI[\JEAS DE QQNFIGURACIQN
A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
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Z I "í 5 " C ?GAP SPACING(D) IN METERS
_I I 1 UJ J L
6^
100 150 700 250 300
GAPSPACING (D) IN INCHES
JGAP SPACiNG {0) IN METERS
150100
'GAP SPACI.'IÓ lu3K.
JTI.Í38 - Voltaje crítico ciéavería para ondas de impulso
Figurri III.39 - Voltaje crfticcTÜé ave-
rfa para ondas de maniobra ft *
IMPULSE OREAKDOWN DETWEENTRANSMISSION LINE CONDUCTORS
ONE CONDUCTOR GROUHDEO)
Figura 111,40 -
o loo aoo 300CONDUCTOR TQ CONDUCTOR SEPARATlON -INCHES
O ' 2 1 6 ' 8CONOUCTOR TQ CONDUCTOR SEPARATlON-METERS
Voltaje crítico de avería entre conductores
1 . Voltaje en el papa
yos .
en oí tr
Por mador .
3. Voltaje en el clisyun
tor ,
Figura í'íf .¿11 •
DETERMINACIÓN DE LOS VOLTAJES EN UN ARREGLO DISYUNrTOR-PAR ARRAYOS-TRANS FORMADQR POR MEDIO DE UN DIAGRAMA LATT1CE
, . - . Figura III. 4fi
DETERMINACIÓN pE LA CORRIENTE DE DESCARGA EN ELf PAl^ARRAYOS
Figura IIT.43
DETERMINACIÓN PE LA DISTANCIA S
45.
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