Efectos de los rayos en laslíneas de transmisión!!

Efectos de los rayos en laslíneas de transmisión!!

PARA LA MAYORÍA DE LAS LÍNEAS DETRANSMISIÓN LOS RAYOS SON LA PRINCIPAL

CAUSA DE INTERRUPCIONES.

Efectos de los rayos en laslíneas de transmisión!!

Efectos de los rayos en laslíneas de transmisión!!

Lima, Enero 2012Lima, Enero 2012

MsC. Ernesto Noriega StefanovMsC. Ernesto Noriega Stefanov

El comportamiento contra los efectos de los rayos de una línea de transmisión puedeverse afectado de dos maneras. En primer lugar la ruta o trayectoria que tenga la líneade transmisión puede influir en la exposición contra rayos que tenga la misma, ya seapor impactos directos o indirectos. El segundo punto importante es que la trayectoriade la línea atraviesa generalmente diferentes tipos de suelos y terrenos con diferentestipos de resistividades.

El diseñador debe hacer un balance entre diferentes medidas de protección, las cualesson:

1. Incremento del aislamiento de la línea2. Mejoramiento del sistema de puesta a tierra3. Mejorar el apantallamiento4. Reubicación de la traza de la línea en función de elevar la confiabilidad de la línea.

El comportamiento contra los efectos de los rayos de una línea de transmisión puedeverse afectado de dos maneras. En primer lugar la ruta o trayectoria que tenga la líneade transmisión puede influir en la exposición contra rayos que tenga la misma, ya seapor impactos directos o indirectos. El segundo punto importante es que la trayectoriade la línea atraviesa generalmente diferentes tipos de suelos y terrenos con diferentestipos de resistividades.

El diseñador debe hacer un balance entre diferentes medidas de protección, las cualesson:

1. Incremento del aislamiento de la línea2. Mejoramiento del sistema de puesta a tierra3. Mejorar el apantallamiento4. Reubicación de la traza de la línea en función de elevar la confiabilidad de la línea.

La cantidad de aisladores de una línea de transmisión se diseña de tal forma quesoporten prácticamente todas las sobretensiones internas, pero no es posiblediseñarlos para que soporten todas las sobretensiones externas (impulsos de tensiónproducidos por descargas atmosféricas) porque la longitud de la cadena de aisladoressería tan grande que el costo del aislamiento seria exageradamente alto.

Una de las principales causas de salida de las líneas de transmisión es el deterioro o eldaño que pueden sufrir los aisladores a causa de flameo inverso, esta condición se dadebido a que se produce una descarga a tierra de origen digamos atmosférico (Rayo),la cual no es debidamente dispersada en el terreno produciendo una gransobretensión (GPR), que puede retornar por la misma estructura produciendo un arcoentre esta y la línea rompiendo así, el aislamiento que hay entre ellas que eneste caso es la cadena de aisladores.

Una forma de disminuir esta condición es evitar el retorno de la descarga por laestructura, dispersándola de forma adecuada en la tierra, esta descarga puede seroriginada por cualquier tipo de condición de falla, sea por maniobra, por fallo o porrayo ya que parten de un mismo principio que es un transitorio electromagnético.

Para que no suceda el fenómeno de flameo inverso lo que se debe trabajar es lapuesta a tierra, por ello se hace el análisis de las puestas a tierra en estado transitorio,con el fin de utilizar los contrapesos como un electrodo eficiente en el momento dedispersar este tipo de fallas.

Una de las principales causas de salida de las líneas de transmisión es el deterioro o eldaño que pueden sufrir los aisladores a causa de flameo inverso, esta condición se dadebido a que se produce una descarga a tierra de origen digamos atmosférico (Rayo),la cual no es debidamente dispersada en el terreno produciendo una gransobretensión (GPR), que puede retornar por la misma estructura produciendo un arcoentre esta y la línea rompiendo así, el aislamiento que hay entre ellas que eneste caso es la cadena de aisladores.

Una forma de disminuir esta condición es evitar el retorno de la descarga por laestructura, dispersándola de forma adecuada en la tierra, esta descarga puede seroriginada por cualquier tipo de condición de falla, sea por maniobra, por fallo o porrayo ya que parten de un mismo principio que es un transitorio electromagnético.

Para que no suceda el fenómeno de flameo inverso lo que se debe trabajar es lapuesta a tierra, por ello se hace el análisis de las puestas a tierra en estado transitorio,con el fin de utilizar los contrapesos como un electrodo eficiente en el momento dedispersar este tipo de fallas.

Los rayos pueden ocasionar que en el aislamiento se originen flameos cuando ocurrenlos siguientes fenómenos:

1. Una descarga de rayo que sea interceptada por la torre o por el conductor deguarda (flameo inverso)

2. Un impacto de rayo directo sobre un conductor de fase (por falla del sistema deapantallamiento)

En ambos eventos, los siguientes tres factores gobiernan si en el aislamiento ocurriráun flameo o descarga:

La forma de onda y la polaridad de la onda que estresa o esfuerza el aislamiento. Elnivel de aislamiento de los aisladores, especificado por ejemplo por el número dediscos existentes en la cadena de aisladores o por la distancia de arco existente desdeel conductor a la torre.

La componente de frecuencia de potencia de la tensión a través del aislamiento. Lafortaleza dieléctrica del aislamiento bajo condiciones de rayos depende de la forma deonda, de la magnitud y de la polaridad.

Efectos no lineales como el efecto corona, la ionización del suelo, la respuestatransitoria de la torre y las reflexiones desde torres adyacentes tienden a distorsionarla onda transitoria de tensión de la forma de onda estándar.

Los rayos pueden ocasionar que en el aislamiento se originen flameos cuando ocurrenlos siguientes fenómenos:

1. Una descarga de rayo que sea interceptada por la torre o por el conductor deguarda (flameo inverso)

2. Un impacto de rayo directo sobre un conductor de fase (por falla del sistema deapantallamiento)

En ambos eventos, los siguientes tres factores gobiernan si en el aislamiento ocurriráun flameo o descarga:

La forma de onda y la polaridad de la onda que estresa o esfuerza el aislamiento. Elnivel de aislamiento de los aisladores, especificado por ejemplo por el número dediscos existentes en la cadena de aisladores o por la distancia de arco existente desdeel conductor a la torre.

La componente de frecuencia de potencia de la tensión a través del aislamiento. Lafortaleza dieléctrica del aislamiento bajo condiciones de rayos depende de la forma deonda, de la magnitud y de la polaridad.

Efectos no lineales como el efecto corona, la ionización del suelo, la respuestatransitoria de la torre y las reflexiones desde torres adyacentes tienden a distorsionarla onda transitoria de tensión de la forma de onda estándar.

IMPEDANCIA DE LA TORRECuando un impacto de rayo impacta una torre, una porción de la corriente de impactoviaja en dirección a tierra. La otra parte de la onda viaja a través del conductor deguarda. La fracción inicial a lo largo de estos dos caminos está determinada por surelativa impedancia transitoria. La resultante caída de tensión, y la magnitud de la ondareflejada, depende directamente del valor de impedancia transitoria encontrada por lacorriente del rayo. El esfuerzo de tensión a través de la cadena de aisladores es ladiferencia entre la tensión de la torre y el valor instantáneo de tensión en losconductores de fase. Un esfuerzo elevado de tensión podría resultar en un flameoinverso. Dado que la tensión que aparece en la torre es dependiente totalmente de laimpedancia característica de la torre, se llega a la conclusión que la impedanciacaracterística es un factor determinante para analizar el comportamiento contra rayosde una línea.

La impedancia de la torre depende del área del acero de la torre (o del sistema depuesta a tierra) en contacto con la tierra, y de la resistividad del terreno. Existen otrosfactores que también influyen de forma variable como: el tipo de suelo, contenido dehumedad, temperatura, magnitud de la corriente de descarga y su forma de onda.

Es importante señalar, que solo es suficiente que existan algunas torres de una línea detransmisión que estén ubicadas sobre un suelo no homogéneo con una elevadaresistividad del terreno, para que su comportamiento y el número de salidas de la líneapor causa de rayos sea elevado.

IMPEDANCIA DE LA TORRECuando un impacto de rayo impacta una torre, una porción de la corriente de impactoviaja en dirección a tierra. La otra parte de la onda viaja a través del conductor deguarda. La fracción inicial a lo largo de estos dos caminos está determinada por surelativa impedancia transitoria. La resultante caída de tensión, y la magnitud de la ondareflejada, depende directamente del valor de impedancia transitoria encontrada por lacorriente del rayo. El esfuerzo de tensión a través de la cadena de aisladores es ladiferencia entre la tensión de la torre y el valor instantáneo de tensión en losconductores de fase. Un esfuerzo elevado de tensión podría resultar en un flameoinverso. Dado que la tensión que aparece en la torre es dependiente totalmente de laimpedancia característica de la torre, se llega a la conclusión que la impedanciacaracterística es un factor determinante para analizar el comportamiento contra rayosde una línea.

La impedancia de la torre depende del área del acero de la torre (o del sistema depuesta a tierra) en contacto con la tierra, y de la resistividad del terreno. Existen otrosfactores que también influyen de forma variable como: el tipo de suelo, contenido dehumedad, temperatura, magnitud de la corriente de descarga y su forma de onda.

Es importante señalar, que solo es suficiente que existan algunas torres de una línea detransmisión que estén ubicadas sobre un suelo no homogéneo con una elevadaresistividad del terreno, para que su comportamiento y el número de salidas de la líneapor causa de rayos sea elevado.

La resistividad del terreno tiene una relación lineal con la impedancia del sistema depuesta a tierra de la torre. Tensiones de gran magnitud son generadas en todos loselementos metálicos de la estructura y en el sistema de puesta a tierra de la torrecuando el conductor de guarda o la misma estructura son impactados por rayos. Altosvalores de impedancia de puesta a tierra causa incrementos de tensiones y muchasmás salidas e interrupciones de la línea para una determinada exposición a rayos. Lasimpedancias de puesta a tierra elevadas normalmente se encuentran en regionesdonde el terreno es rocoso. Cuando es inevitable que la traza de la línea atraviese unterreno rocoso, existen diferentes técnicas de mejoramiento para contrarrestar esto,logrando valores de impedancia bajos.

El valor y comportamiento de la impedancia de puesta a tierra de las estructuras delas líneas de transmisión es un factor fundamental que se tiene en cuenta para eldiseño de una línea de transmisión, especialmente cuando se espera que esta sea unmedio seguro para dispersar las corrientes de rayo.

El valor y comportamiento de la impedancia de puesta a tierra de las estructuras delas líneas de transmisión es un factor fundamental que se tiene en cuenta para eldiseño de una línea de transmisión, especialmente cuando se espera que esta sea unmedio seguro para dispersar las corrientes de rayo.

Cuando la impedancia de la puesta a tierra de las torres de transmisión es alta, nose encuentra un medio propicio para la dispersión de las corrientes del rayo, lo quese puede originar una reflexión parcial de la onda incidente, aumentando elpotencial entre el brazo de la torre y el conductor de fase y dando origen a unfenómeno llamado FLAMEO INVERSO.

En una puesta a tierra no solo encontramos una resistencia sino también unainductancia y una capacitancia que igualmente influyen en el paso de la corrientepor tierra; por lo tanto, no deberíamos hablar de una resistencia sino de unaimpedancia característica. Para bajas frecuencias, bajas corrientes y valores deresistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y deionización del suelo y el mismo se comporta prácticamente como una resistencia. Enel caso de altas frecuencias, es necesario considerar el efecto capacitivo,principalmente en suelos de alta resistividades. Ondas de impulso, como las de losrayos, sufren igualmente la oposición de la reactancia inductiva de las conexiones alpenetrar el suelo.

En una puesta a tierra no solo encontramos una resistencia sino también unainductancia y una capacitancia que igualmente influyen en el paso de la corrientepor tierra; por lo tanto, no deberíamos hablar de una resistencia sino de unaimpedancia característica. Para bajas frecuencias, bajas corrientes y valores deresistividad del suelo no muy elevados, son despreciables los efectos capacitivos y deionización del suelo y el mismo se comporta prácticamente como una resistencia. Enel caso de altas frecuencias, es necesario considerar el efecto capacitivo,principalmente en suelos de alta resistividades. Ondas de impulso, como las de losrayos, sufren igualmente la oposición de la reactancia inductiva de las conexiones alpenetrar el suelo.

Para lograr un bajo número de salidas de una línea, la impedancia transitoria depuesta a tierra deberá ser pequeña. Uno de los sistemas de puesta a tierra máseficientes para reducir la impedancia de puesta a tierra de las torres de transmisiónes usando contrapesos (conductores radiales) como el de la siguiente figura.

El uso de contrapesos es una práctica común, se conectan a las bases metálicas de lastorres, siendo un medio excelente para reducir la impedancia de la puesta a tierraporque incrementa el área de contacto con el suelo.

Con el propósito de comprender el comportamiento del contrapeso se definen losconceptos básicos:

Permeabilidad (K): Es un parámetro indicador de la capacidad de flujo. Es una medidade la razón a la cual un liquido puede fluir a través de una cierta área de roca porosasometida a un gradiente de presión especifico. Se expresa en milidarcies (md) .

El uso de contrapesos es una práctica común, se conectan a las bases metálicas de lastorres, siendo un medio excelente para reducir la impedancia de la puesta a tierraporque incrementa el área de contacto con el suelo.

Con el propósito de comprender el comportamiento del contrapeso se definen losconceptos básicos:

Permeabilidad (K): Es un parámetro indicador de la capacidad de flujo. Es una medidade la razón a la cual un liquido puede fluir a través de una cierta área de roca porosasometida a un gradiente de presión especifico. Se expresa en milidarcies (md) .

Impedancia al impulso: Zs Es el valor de impedancia de impulso en un tiempo t=0+. Deforma simplificada puede considerarse:

Donde:L= La inductancia del electrodo, la cual es proporcional a su longitud del electrodoy a la permeabilidad del terreno y

C= La capacidad del electrodo, la cual es proporcional a su longitud y a lapermitividad del terreno.

Resistencia de dispersión: Es el valor de la impedancia de impulso cuando ha alcanzado suvalor de estado estacionario.

En la siguiente figura observamos un ejemplo de la respuesta típica de uncontrapeso de 60 m, enterrado en suelos de diferentes resistividad a unaprofundidad de 0,6 m cuando se inyecta un impulso de corriente.

Respuesta típica de un contrapeso

Uno de los errores típicos de los ingenieros, es que se olvidan de la impedancia transitoriadel contrapeso y solo se preocupan por reducir la resistencia en estado estacionariomedida con telurómetros de baja frecuencia, sabiendo que la impedancia de impulso esuna respuesta a alta frecuencia.

La experiencia ha demostrado que utilizar varios contrapesos es mejor que utilizar unosolo, ya que al utilizar más contrapesos disminuye la impedancia al impulso aunque semantiene la resistencia de dispersión o de estado estacionario. Con el aumento delnumero de ramificaciones lo que estamos haciendo es aumentar la capacidadinterelectródica en el terreno contrarrestando el efecto inductivo originado por ondas deimpulso con una gran pendiente como las que tienen las corrientes de los rayos.

En la siguiente figura tenemos un ejemplo de este caso, los contrapesos están enterradosen un suelo de resistividad 2000 Ω.m, la permitividad relativa del suelo se toma como 20y la permeabilidad relativa del suelo es 1. Con estos datos se simulo el comportamientode los contrapesos con un software desarrollado para estudiar este tipo de suelos.

Uno de los errores típicos de los ingenieros, es que se olvidan de la impedancia transitoriadel contrapeso y solo se preocupan por reducir la resistencia en estado estacionariomedida con telurómetros de baja frecuencia, sabiendo que la impedancia de impulso esuna respuesta a alta frecuencia.

La experiencia ha demostrado que utilizar varios contrapesos es mejor que utilizar unosolo, ya que al utilizar más contrapesos disminuye la impedancia al impulso aunque semantiene la resistencia de dispersión o de estado estacionario. Con el aumento delnumero de ramificaciones lo que estamos haciendo es aumentar la capacidadinterelectródica en el terreno contrarrestando el efecto inductivo originado por ondas deimpulso con una gran pendiente como las que tienen las corrientes de los rayos.

En la siguiente figura tenemos un ejemplo de este caso, los contrapesos están enterradosen un suelo de resistividad 2000 Ω.m, la permitividad relativa del suelo se toma como 20y la permeabilidad relativa del suelo es 1. Con estos datos se simulo el comportamientode los contrapesos con un software desarrollado para estudiar este tipo de suelos.

Contrapesos con diferentes configuraciones

En la siguiente figura, tenemos la respuesta de las simulaciones, la curvasuperior corresponde a un contrapeso, la inferior corresponde a 4contrapesos. Es claro que al utilizar mas contrapesos disminuye laimpedancia al impulso, aunque se mantiene el valor de resistencia dedispersión o de estado estacionario. También es claro que la impedancia alimpulso se controla con la configuración seleccionada.

Simulación de las configuraciones de contrapesos

En la diapositiva siguiente, se representan las variaciones de la impedancia alimpulso de cuatro puestas a tierra de formas diferentes, que han sido ensayadas aimpactos de rayos reales (Saint privat d’Allier: Francia) y también mediantegeneradores de onda de choque.

Las descargas de rayos provocadas en dicho lugar, poseían impulsos de intensidad enlos cuales la pendiente es normalmente muy fuerte, y de muy corta duración (0.3 ÷ 1s) y además la media de las magnitudes de descarga fue de 25 kA.

Cada curva representa la variación del modulo de la impedancia de impulso enfunción de la frecuencia f.

Como se puede observar, para un mismo tipo de terreno (ρ=100 Ω m) el electrodocon mas ramificaciones, presenta en alta frecuencia, una impedancia mucho menorque un cable enterrado horizontalmente de la misma longitud.

En la diapositiva siguiente, se representan las variaciones de la impedancia alimpulso de cuatro puestas a tierra de formas diferentes, que han sido ensayadas aimpactos de rayos reales (Saint privat d’Allier: Francia) y también mediantegeneradores de onda de choque.

Las descargas de rayos provocadas en dicho lugar, poseían impulsos de intensidad enlos cuales la pendiente es normalmente muy fuerte, y de muy corta duración (0.3 ÷ 1s) y además la media de las magnitudes de descarga fue de 25 kA.

Cada curva representa la variación del modulo de la impedancia de impulso enfunción de la frecuencia f.

Como se puede observar, para un mismo tipo de terreno (ρ=100 Ω m) el electrodocon mas ramificaciones, presenta en alta frecuencia, una impedancia mucho menorque un cable enterrado horizontalmente de la misma longitud.

Simulación de las configuraciones de contrapesos

Simulación de las configuraciones de contrapesos

Cuando es necesario obtener valores de resistencia de estado estacionario quecumplan con los requisitos de un cliente y con restricciones de espacio, se haceobligatorio del empleo de un suelo artificial Favigel, desarrollado tanto para reducir laresistividad del suelo como para la protección de los electrodos.

El principal efecto del suelo artificial es reducir la impedancia de impulso rápidamente,por otro lado de acuerdo a las condiciones de cada sitio, la reducción de la resistenciaen estado estacionario que puede alcanzarse utilizando Favigel puede llegar hasta un90% .

Favigel se ha aplicado en muchas torres en Latinoamérica y se ha demostrado suconfiabilidad a lo largo de los años.

La norma IEEE Std 81- 1983. IEEE Guide for measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, andEarth Surface Potentials of a Ground System en su acápite 12.6 sugiere que la medición de laresistencia de puesta a tierra de una torre de transmisión debe ser implementada con untelurómetro de alta frecuencia de 25 KHz, con el cual no sea necesario desconectar el conductorde guarda de la torre, aumentando la eficiencia en la medición.

Medición de la impedancia transitoria del sistema de puesta a tierra de las torres.

Como es mas eficiente realizar la medición de la resistencia?

Las sondas de corriente y potencial que seutilizan para realizar la medición, secolocarán en el terreno de maneraperpendicular con respecto a la línea aéreade transmisión. El objetivo que tiene estoes evitar un acoplamiento con la puesta atierra bajo prueba, lo cual podríadistorsionar la medición.

CONCLUSIONES

De lo expuesto, se observa que aún se requieren muchos trabajos para analizar elcomportamiento de la puesta a tierra bajo condiciones de impulsos tipo rayo, por losgrandes errores que pueden derivarse de considerar únicamente la resistencia depuesta a tierra para baja frecuencia, como indicativo de su comportamientotransitorio. Lo anterior no obsta para dar unas indicaciones de orden práctico, comoque cada bajante de un sistema de protección contra rayos, llegue a un electrodo;que se debe conservar una proporción mínima entre electrodo y contrapeso de 1:2;que los contrapesos son la mejor configuración de una puesta a tierra de proteccióncontra rayos ; que es mejor construir varios contrapesos cortos que uno largo, perosin pasar de cinco; que deben construirse entre 15 y 60 metros; que se deben medirestas puestas a tierra con telurómetros con frecuencia de 25 kHz o más.

De lo expuesto, se observa que aún se requieren muchos trabajos para analizar elcomportamiento de la puesta a tierra bajo condiciones de impulsos tipo rayo, por losgrandes errores que pueden derivarse de considerar únicamente la resistencia depuesta a tierra para baja frecuencia, como indicativo de su comportamientotransitorio. Lo anterior no obsta para dar unas indicaciones de orden práctico, comoque cada bajante de un sistema de protección contra rayos, llegue a un electrodo;que se debe conservar una proporción mínima entre electrodo y contrapeso de 1:2;que los contrapesos son la mejor configuración de una puesta a tierra de proteccióncontra rayos ; que es mejor construir varios contrapesos cortos que uno largo, perosin pasar de cinco; que deben construirse entre 15 y 60 metros; que se deben medirestas puestas a tierra con telurómetros con frecuencia de 25 kHz o más.

MUCHAS GRACIAS POR SUATENCIÓN!!

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