INTRODUCCIÓN

Las subestaciones eléctricas, como parte de unsistema eléctrico, están sometidas a los esfuerzosdieléctricos producidos por las sobretensiones quedieléctricos producidos por las sobretensiones quese presentan, éstas se pueden agrupar en trescategorías principalmente: las debidas a descargascategorías principalmente: las debidas a descargasatmosféricas o rayo, las debidas a las maniobrasde los interruptores (apertura o cierre) y las queocurren a la frecuencia del sistema, que puedenser de larga duración, en comparación con las dosprimeras q e son de nat rale a transitoria

2

primeras que son de naturaleza transitoria.

Las sobretensiones pueden alcanzar valores tales quedañen al aislamiento de los equipos, razón por la que sedeben proteger. En el caso de las sobretensiones de origenatmosférico, también conocidas como por rayo, se pueden

t l i t l ió d f dpresentar en la instalación en dos formas: como descargasdirectas, o bien, inducidas a través de las líneas detransmisión En el caso de las descargas directas debido altransmisión. En el caso de las descargas directas, debido alespacio relativamente pequeño que ocupan, la probabilidadde ocurrencia es baja y se relaciona con el nivelj yisoceráunico o la densidad de rayos a tierra, se debeadoptar una protección similar a la que se aplica en laslíneas de transmisión, que se conoce como el "blindaje dela subestación".

3

El fenómeno de la descarga es un proceso de dospasos:

En el primer paso, el aire que circunda la nube es ionizadoy pequeñas descargas, referidas como líderes, distribuyen ollevan la carga al aire. Estas descargas líder tienen bajosvalores de corriente relativamente y se propagan al azar yti l it d d 10 80 t E t l ttienen una longitud de 10 a 80 metro. Eventualmenteconstituyen un canal de descarga que se puede acercar losuficiente a un objeto en tierra y la descarga se dirige a estej y g gobjeto.Para las sobretensiones de rayo inducidas por las líneas,l d i b d i l l llas de maniobra de interruptores y las temporales, laprotección se hace, principalmente, por medio deapartarrayos entonces se aplican los conceptos de "laapartarrayos, entonces, se aplican los conceptos de lacoordinación de aislamiento".

4

PROTECCIÓN DE SUBESTACIONESSUBESTACIONES

Hablando en términos generales, un sistema eléctrico depotencia consiste de centrales generadoras, laspotencia consiste de centrales generadoras, lassubestaciones eléctricas y las líneas de transmisión. Lascentrales eléctricas y las subestaciones eléctricas que estántotalmente cerradas, son prácticamente inmunes a lasdescargas atmosféricas directas, requieren por supuestoprotección contra las ondas viajeras de sobretensión queprotección contra las ondas viajeras de sobretensión queentran a través de las líneas de sobretensión.Las subestaciones tipo exterior y las áreas externas deequipo primario de las mismas, así como las líneas detransmisión, requieren de la protección contra los impactosdirectos de rayo y contra las ondas viajeras de sobretensióndirectos de rayo y contra las ondas viajeras de sobretensiónque llegan de otras partes del sistema, en donde ha habidodescargas directas. 5

La protección contra los impactosdirectos del rayo se logra pordirectos del rayo se logra pormedio de lo que se conoce como elblindaje, de manera que los rayosimpactan al blindaje que estáconectado a la red de tierras de lainstalación Las líneas deinstalación. Las líneas detransmisión tienen un blindaje abase de cables de guarda y lassubestaciones eléctricas tipoexterior, tienen un blindaje a basede cables de guarda bayonetas y/ode cables de guarda, bayonetas y/omástiles.

6

El blindaje de las subestacioneseléctricas

Debido al área relativamente limitada que ocupa unasubestación eléctrica tipo exterior, la frecuencia de las

eléctricas

descargas atmosféricas directas es baja, sin embargo, losdaños que puede ocasionar una descarga directa a la

b t ió d f ll tsubestación, pueden causar fallas permanentes y,consecuentemente, muy costosas; por lo tanto, unasubestación se debe blindar contra descargas directas.gLas subestaciones tipo exterior están blindadas contradescargas directas por medio de cables de guarda,bayonetas mástiles Para diseñar este blindaje se puedenbayonetas mástiles. Para diseñar este blindaje se puedenusar básicamente dos métodos:

• Por medio de ángulos fijos.Por medio de ángulos fijos.• Por medio de modelos electrogeométricos.

7

8

El método de los ángulos fijosEl método de los ángulos fijos.

Por este método se puede calcular el blindaje conp jbayonetas o mástiles o con cables (hilos) de guarda, y esuna practica estándar en la industria proporcionar unaf d t ió t d di tforma de protección contra descargas directas, ya sea pormedio de bayonetas o mástiles o por medio de cables deguarda; en cualquier caso, están eléctricamenteguarda; en cualquier caso, están eléctricamenteconectados a la malla o red de tierras de la subestación.

Las bayonetas pueden estar en postes autosoportados, obien, en las terminales (parte superior) de las estructurasde la subestaciónde la subestación.

9

Los métodos más comunes de análisis del blindajejsuponen que las bayonetas y los cables de guardaproyectan una zona de protección al equipo que se

t d b j d ll l f dencuentra debajo de ellos, en la forma de un cono.Benjamín Franklin estableció que un ángulo para el conodebería ser de aproximadamente 60 grados El valor dedebería ser de aproximadamente 60 grados. El valor deeste ángulo ha ido decreciendo a través de los años, hastallegar en muchos casos, sin cálculo previo a un valoraceptado de 30 grados. Un ejemplo de una zona típica deprotección usando el método del cono se muestra en lasiguiente figura Este método denominado del cono desiguiente figura. Este método, denominado del cono deprotección, sugiere que para proporcionar una proteccióncompleta a un área externa, se debe colocar un mástil obayoneta cerca del centro del área por proteger a una alturasuficiente como para proporcionar la protección deseada.

10

Este método tiene algunasbj i t t dobjeciones, por tratarse de

un cálculo determinísticoque no toma en

id ió l t lconsideración la naturalezaaleatoria de las descargasatmosféricas, y esto hace

i f ll lque en ocasiones falle al notomar en cuenta que lacorriente del rayo varía en

i d biémagnitud, pero también enángulo de incidencia, y queel nivel básico deaislamiento al impulso delequipo de la subestación sedebe considerar parapredecir si un aislamientopuede fallar para una ciertadescarga. 11

L b t l t d d f ió

Cálculo del blindaje con bayonetas por el método de los ángulos fijos

Las bayonetas con electrodos de acero, cuya funciónprincipal es la concentración de electrones depredescarga para su descarga a tierra a través de lapredescarga, para su descarga a tierra a través de lapuesta a tierra de la subestación, deben estar terminadasen punta y se deben instalar en los puntos más altos de lasestructuras de las subestaciones. El cálculo con estemedio está basado en el método de los ángulos fijos.La zona de protección que brinda una bayoneta se calculaLa zona de protección que brinda una bayoneta se calculaa partir de la altura máxima obtenida entre estructura ybayoneta, y considerando que el ángulo de protecciónmedido con relación al eje de la bayoneta no debeexceder, en ningún caso, de acuerdo a lo indicado antes, a30º para una bayoneta aislada como se muestra en la30º para una bayoneta aislada, como se muestra en lafigura siguiente:

12

13

Cuando la distancia entre estructuras y la altura de lasmismas es tal que las zonas de protección obtenidas porlas bayonetas se cortan sobre el plano de los objetos porproteger, entonces los ángulos de protección permisiblespueden llegar a ser de 45º Siempre se deberá hacer unpueden llegar a ser de 45 . Siempre se deberá hacer uncálculo de verificación, ya que este concepto no esprobabilístico y sólo da una idea al margen de protecciónque proporciona. De una manera que se puede decir queno toma en cuenta la probabilidad de ocurrencia de unamagnitud de corriente del rayo y entonces se dice que elmagnitud de corriente del rayo y, entonces, se dice que elequipo está protegido o no protegido usando estemétodo. 14

15

EJEMPLOCalcular la distancia horizontal queprotege una bayoneta de 1 5 mprotege una bayoneta de 1.5 mmontada sobre una estructura quetiene una altura sobre el nivel del suelode 15 0 m de altura si la altura delde 15.0 m de altura, si la altura delplano por proteger es de 5.0.

16

SOLUCIÓN

La altura efectiva y sobre el plano de protección es:

Entonces:

5.110.5 5.1 0.15Y =−+=

YX30 tan =°

Siendo X la distancia máxima horizontal al objetopor proteger.por proteger.

m64.630tanx5.1130tan YX =°=°=

17

EJEMPLOSi la altura del objeto por proteger esS=5 m y está localizado a 15 m delS=5 m y está localizado a 15 m delmástil que contiene al hilo de guarda,calcular la altura a la que éste deberíaestar.

5 x 15 x 34 5(31 )15 x 3 5 x 2(

31H 2 +++=

33m0.20H=

En caso de q e se sen dos hilos de g arda laEn caso de que se usen dos hilos de guarda, larepresentación y expresión correspondiente sería lasiguiente:

18

SOLUCIÓN

)S(fH l22 )(1S1S2H l

++=)S,(fH l= )2

(3

S9

S3

H ++=

19

SOLUCIÓN

La altura efectiva y sobre el plano de protección es:

Entonces:5.110.5 5.1 0.15Y =−+=

YX30 tan =°

Siendo X la distancia máxima horizontal al objetopor proteger.por proteger.

m64.630tanx5.1130tan YX =°=°=

20

EJEMPLO En una subestación eléctrica, si la distanciaentre apoyos de los hilos de guarda es deentre apoyos de los hilos de guarda es de20 m y la altura al punto más bajo de loshilos de guarda de 9 m calcular la altura ahilos de guarda de 9 m, calcular la altura aque deben estar estos hilos de guarda.

SOLUCIÓN

20112 m 63.12)220(

319 x

91 9 x

32H 22 =++=

21

EJEMPLO Determinar a qué altura se deben localizarlos hilos de guarda en una subestación, si

d i áse desea proteger un equipo que estarálocalizado a 12.5 m con respecto a laposición del hilo de guarda y la altura a laparte viva es de 9.0 m sobre el nivel delsuelo.

SOLUCIÓN La máxima altura protegida en función de laaltura del objeto por proteger y de su

S34S1)3S2(1H 2 ll +++=

altura del objeto por proteger y de sudistancia al hilo de guarda, se calcula como:

S..34S3

).3S2(3

H ll +++=Donde: m0.9S=

m5.12=l m5.12l

9 x 5.12 x 34 931 )5.12 x 3 9 x 2(

31H 2 +++=

m0.23H=

22

EJEMPLO

Un interruptor se localiza en el espacio entredos hilos de guarda separados entre sí porEJEMPLO g p puna distancia de 26.5 m, teniendo 10.0 msobre el nivel del suelo. Calcular la altura a laque debe instalarse el hilo de guarda si laque debe instalarse el hilo de guarda, si laaltura más baja del hilo de guarda es S = 10.0m

23

En este ejemplo, se observará que paracálculos del blindaje es posible considerar la

SOLUCIÓNcálculos del blindaje es posible considerar lamáxima altura a parte viva con respecto al niveldel suelo del objeto por proteger como la alturamás baja que pueda tener el conductor demás baja que pueda tener el conductor deguarda. con lo que la fórmula general para estecaso es aplicable sin mucho error, es decir:

22

2)

2(

31

9S S

32H l

++=Siendo:

m010S= m0.10S=

m 5.26=l

5261102 22 ⎞⎛ m 01.152

5.2631

910 10 x

32H

2=⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛++=

24

COMENTARIOS

El ét d d ál l i d t i t táEl método de cálculo mencionado anteriormente, estábasado en la protección de los equipos principales de lasubestación contra descargas directas por rayo, y lasg p y yexpresiones matemáticas indicadas para el cálculo de laaltura a la que deben de estar los hilos de guarda, seobtienen a partir de un modelo electrogeométrico deobtienen a partir de un modelo electrogeométrico deblindaje en las subestaciones eléctricas, que es semejanteal modelo electromagnético usado para la protección contrad t fé i l lí d t i iódescargas atmosféricas en las líneas de transmisión.

Los hilos de guarda también se les conoce en algunospaíses como cables de tierra generalmente son de aceropaíses como cables de tierra, generalmente son de aceroy se instalan encima de los conectores y conductores defase, en un número y disposición tal que, el ángulo formadopor la vertical con la recta que une al cable de guarda conel conductor de una fase exterior sea inferior a 45º ypreferentemente 30º. 25

Estos hilos de guarda se instalan directamente sobre laestructura, y por lo general son de acero galvanizado,, y p g g ,con una sección no inferior a 50 mm2; usándoseconectores para unirlos a la estructura y se conectan atierra por lo menos en dos puntos con cable de acerotierra por lo menos en dos puntos con cable de acerogalvanizado, también con una sección no inferior a 50mm2.

26

2. Método del modelo electrogeométrico.

En particular para las subestaciones eléctricas de alta yextra alta tensión (mayores de 230 kV), se ha observadoque el cálculo del blindaje por el método de los ángulosfijos no resulta adecuado, por lo que para lassubestaciones eléctricas, se optó por un método usadopara el diseño del blindaje en las líneas de transmisión,que se conoce como "el modelo electrogeométrico",

d lló l 60’ h t id l l d lque se desarrolló en los 60’s y que ha tenido a lo largo deltiempo algunas variantes en su aspecto conceptual,

bli á d 1971 l Edi El t i I tit t dpublicándose en 1971 por el Edison Electric Institute deEstados Unidos.

27

De acuerdo con el modelo electrogeométrico, ladistancia de impacto de un rayo (es decir, la distanciasobre la cual desciende el canal principal del rayo paratocar un objeto), es proporcional a la densidad de cargatocar un objeto), es proporcional a la densidad de cargadel canal principal de descarga; sin embargo, la corrientede retorno es proporcional a la densidad de cargaprecedente al canal principalprecedente al canal principal.

El modelo electrogeométrico original fue modificado ysimplificado para su aplicación a edificios ysimplificado para su aplicación a edificios ysubestaciones, esta versión simplificada del modeloelectrogeométrico se usa en el análisis del

t i t d l bli d j d l b t icomportamiento del blindaje de las subestacioneseléctricas y se le conoce como "el método de la esferarodante". 28

El método de la esfera rodante toma en cuenta losvalores del nivel básico de aislamiento (NBI) del equipovalores del nivel básico de aislamiento (NBI) del equipoa proteger contra descargas, para un valor dado de lacorriente del rayo, la relación entre la corriente del rayoy el NBI del equipo está dada por la ecuación:

SNBI 2I =o

S ZI =

Siendo:

Zo = Impedancia característica de la línea en ohms.

IS = Corriente del rayo en KAIS Corriente del rayo en KA.

NBI= Nivel básico de aislamiento al impulso en kV.

29

L di t i d i t (S) l i t d l (I ) táLa distancia de impacto (S) y la corriente del rayo (IS) estánrelacionadas por la siguiente ecuación: 65.0

S)I(8S=Donde:

S = Distancia de impacto en metros

30

La distancia deimpacto defineuna esfera deuna esfera deradio (S) quetoca el mástil ytiene unadistancia (S)sobre el nivel delsuelo, como semuestra en lasfigurasfigurassiguientes:

31

El arco de radio (S) defineuna zona de protecciónpara un rayo que tiene unapara un rayo que tiene unamagnitud IS. La zonadebajo del arco estáprotegida contra laprotegida contra lacorriente del rayo IS, lasdescargas de magnitud ISque caen fuera del arco (aque caen fuera del arco (ala derecha o a la izquierdaen la figura anterior),inciden sobre la tierra Lasinciden sobre la tierra. Lasdescargas de magnitud ISque descienden dentro delarco inciden sobre la

32

arco, inciden sobre labayoneta o mástil.

33

Por ejemplo para la subestación de 161 kV con NB =750Por ejemplo, para la subestación de 161 kV con NB =750kV, se encontró que para IS=5 KA, la distancia de impactoes: S=22.77 m y se supone una altura del mástil dehm=16.5 m y una altura del equipo por proteger de he=5.0m, entonces el radio de la zona protegida es:

2/122/12 2/1222/122))0.577.22()77.22(())5.1677.22()77.22((r −−−−−=

m657r = m 65.7r =

34

ANÁLISIS DEL USO DE MÁSTILES DE BLINDAJE MÚLTIPLES Y CABLES DE

GUARDAE l ió t i t dió l d t ióEn la sección anterior, se estudió la zona de protecciónpara un sólo mástil o bayoneta de blindaje, usando elmétodo de la esfera rodante. En una subestación típica, sep ,requiere generalmente más de un mástil de blindaje yfrecuentemente del uso de cables de guarda entre losmástiles o estructuras de la instalación usando este mismomástiles o estructuras de la instalación, usando este mismométodo de la esfera rodante, se puede analizar también elcaso para la combinación de múltiples mástiles con o sin

bl d dcables de guarda.

Cuando dos mástiles de igual altura están cerca uno delgotro, el efecto de blindaje se mejora más allá del blindajeproporcionado por dos mástiles distantes uno del otro.

35

M1 M2hhm= ALTURA DEL MÁSTIL

b= ALTURA DEL BUS

M 3

wm= LARGO Lm= ANCHO

LM4

Lm

bh hωm

bh mh

BLINDAJE DE UNA SUBESTACIÓN CON 4MÁSTILES VERTICALES M1, M2, M3, M4

36

0rs rs

dm= DISTANCIA DIAGONAL CENTRO MÁSTILES

M1

rs rsA M 4

hmB

hbdm

SECCIÓN TRANSVERSAL A TRAVÉS DE M1 Y M 4

37

Cuando los mástilesestán muy cercanos unode otro "la esferarodante" no puede girarrodante no puede girarcompletamente alrededorde cada mástil antes de

t t l t á tilcontactar al otro mástil.Esto resulta como unárea de protecciónpadicional entre losmástiles, como semuestra en la secciónmuestra en la seccióndoblemente achurada dela siguiente figura:

38

La zona de protecciónLa zona de proteccióndesarrollada por un cable deguarda horizontal ysoportando dos mástiles (olos capiteles de la estructura)de la misma altura, se,muestra en la siguientefigura:

39

LA PROBABILIDAD DELA PROBABILIDAD DE FALLA

En un blindaje práctico y económico para una subestacióneléctrica, hay áreas que tienen equipo energizado y que noestán blindadas o protegidas contra descargas directas.Estas áreas no protegidas tienen una probabilidadestadística de ser impactadas por un rayo.estadística de ser impactadas por un rayo.

Dado que las corrientes del rayo de un valor menor que (IS)no deberían causar daño en el equipo entonces se calculano deberían causar daño en el equipo, entonces, se calculala probabilidad de falla para las corrientes que excedan a unvalor de (IS) que puedan impactar al equipo no protegido. La

b bilid d d l l d l i i tprobabilidad se puede calcular usando el siguienteprocedimiento:

40

La mínima distancia de impacto (sm) para la cual elsistema de blindaje debe proporcionar protección aj p p plas áreas no protegidas, se determina gráficamente.

La corriente de descarga (Ism) para la mínimadistancia de impacto (sm), se calcula usando lasiguiente ecuación:

54.1

La probabilidad que las descargas dentro del área no

Sm mS0047.0I =

p q gprotegida puedan producir una falla de aislamiento(Pf), se calcula de la manera siguiente:

)I(P)I(PP ⟨⟨ )I(P)I(PP ssmf ⟨−⟨=

41

Donde: )I(P1)I(P smsm −=⟨

)I(P1)I(P ss −=⟨

La probabilidad de que una cierta corriente de pico seaexcedida por cualquier descarga, se calcula usando lai i t iósiguiente ecuación:

6.2

1

1)(⎟⎞

⎜⎛+

=I

IP

311 ⎟

⎠⎜⎝

+

Donde:

P(I)= Probabilidad de que el pico de la corriente encualquier descarga exceda a I.

I V l ifi d d l i t d dI = Valor especificado de la corriente de descarga.

42

El número de descargas esperado que impacte elá t id d ñ l l b á dárea no protegida cada año, se calcula basándose enel nivel isoceráunico en el sitio de instalación de lasubestación, usando la siguiente ecuación:g

Donde:

( )( )ATxN 81097.11 −=

Donde:

N = Número de descargas a tierra dentro del área noprotegida por año.p g p

T = Nivel isoceráunico promedio anual.

A = Área no protegida en m2A = Área no protegida en m .

43

El índice de fallas para el aislamiento dentro del área noprotegida, se calcula usando la siguiente ecuación:

Donde:F = Índice de fallas para el aislamiento dentro del área

( )NPF

f

1=

pno protegida en años/falla.

Pf = Probabilidad de que las corrientes de descargadentro del área no protegida provoque falla deaislamiento.

N = Número de descargas a tierra dentro del área noN Número de descargas a tierra dentro del área noprotegida por año.

Para subestaciones tipo distribución, se puede aceptar índices dep , p p25 a 50 años por falla, y para subestaciones de potencia, índicesde 100 años/Falla son adecuados. La inversa de F se conoce comoel índice especifico de salidas (SQR) y se expresa en fallas/año.el índice especifico de salidas (SQR) y se expresa en fallas/año.SQR = Specific Outage Rate.

44

PRINCIPIOS BÁSICOS DEPRINCIPIOS BÁSICOS DE COORDINACIÓN DE

AISLAMIENTOL di ió d i l i t d l l ióLa coordinación de aislamiento comprende la selecciónde la resistencia dieléctrica del equipo y su aplicación,

l ió l t i dcon relación a las tensiones que pueden aparecersobre el sistema, para las cuales el equipo está diseñadoy tomando en consideración las características de losy tomando en consideración las características de losdispositivos de protección disponibles, así como reducir aun nivel económico y operacional aceptable la probabilidadun nivel económico y operacional aceptable la probabilidadde que los esfuerzos por tensión resultantes e impuestos alequipo puedan causar daño al aislamiento del mismo oequipo, puedan causar daño al aislamiento del mismo oafectar la continuidad del servicio.

45

ESFUERZOS DE TENSIÓN Y OTROS ESFUERZOS QUE AFECTAN EL

AISLAMIENTOAISLAMIENTOLas siguientes clases de esfuerzos dieléctricos se puedenpresentar durante la operación de un equipo:

Tensiones a la frecuencia del sistema bajocondiciones normales de operación, es decir,que no excedan de la tensión máxima de diseñoque no excedan de la tensión máxima de diseñodel equipo.

Sobretensiones temporales.Sobretensiones por maniobra.Sobretensiones por rayo o por descargaatmosférica.

46

a) Nivel de aislamiento normal.

Que están dados en función de la tensión máxima dediseño del equipo y se expresan en forma de tablas en lasdiferentes normas nacionales e internacionales.

La selección de un determinado nivel de aislamiento enfunción de la tensión nominal del sistema y de lascondiciones particulares que se pueden presentar en unai t l ió d d l i i á tiinstalación, de acuerdo a la experiencia práctica, como porejemplo: instalaciones expuestas a las sobretensiones deorigen atmosférico, a la contaminación ambiental puedeg , pconducir a una correcta aplicación de las tablasrecomendadas por las normas internacionales.

47

b) Nivel de aislamiento pleno (a 100%)

Dentro de las posibilidades de las condiciones defuncionamiento del neutro de las instalaciones eléctricas,aquellas que requieren nivel de aislamiento pleno o al 100%,son las siguientes:

Sistemas que funcionan con el neutro aisladoSistemas que funcionan con el neutro aislado.Sistemas que funcionan con el neutro conectado atierra a través de bobinas de extinción.Si t f i l t t dSistemas que funcionan con el neutro conectado atierra a través de resistencias de valor más omenos elevado.

Estas condiciones influyen sobre los valores del coeficientede puesta a tierra o factor de conexión a tierra y,consecuentemente, sobre los valores de la tensión nominalco secue te e te, sob e os a o es de a te s ó o ade los aparatos de protección contra las sobretensiones.

48

Para los aparatos o máquinas instaladas en sistemas conc) Nivel de aislamiento reducido.

Para los aparatos o máquinas instaladas en sistemas conneutro sólidamente conectado a tierra, se pueden adoptarniveles de aislamiento reducidos. En los casos que lasqsobretensiones de origen interno sean menores, se verificapara las sobretensiones por rayo y se pueden emplear

t i l d ió l d dapartarrayos con niveles de operación a las ondas deimpulso relativamente más bajos.

P l l l fi i t d t ti dPor lo general, el coeficiente de puesta a tierra de unsistema con neutro sólidamente conectado a tierra, es menorque la unidad (se puede suponer un valor del orden de 0.8 oque la unidad (se puede suponer un valor del orden de 0.8 obien 80%). Para los apartarrayos, se puede suponer unatensión nominal inferior a la del sistema considerado, por loque se puede obtener sin dificultad un nivel de proteccióninferior.

49

50

ASPECTOS ESPECÍFICOS DE LA COORDINACIÓN DE

AISLAMIENTO EN LAS SUBESTACIONES

ÉELÉCTRICASLa protección contra sobretensiones de los aparatos yequipos en las subestaciones eléctricas, debe tomar enconsideración los distintos tipos de esfuerzos dieléctricosque se presentan, ya sea por descargas directas oinducidas a través de las líneas entrantes.

Por esta razón, la coordinación de aislamiento en lassubestaciones eléctricas, debe considerar los siguientesaspectos:aspectos:

Instalación de Bayonetas para blindaje.• Protección contra descargas directas

51

Uso de hilos de guarda (especialmente en áreasgrandes).

• Selección de apartarrayos

Para las condiciones de máxima sobretensión durantefalla en los sistemas con neutro a tierra se debe de

Selección de apartarrayos

falla, en los sistemas con neutro a tierra se debe determinar el coeficiente de conexión a tierra.

tierraalíneade.máxónSobretensi)K(tiiódC fi i t

LL normal .máx Tensióntierraalíneade.máxónSobretensi)K(tierra aconexión de eCoeficient

−=

Ciclo térmico del apartarrayos para ondas por rayo yCiclo térmico del apartarrayos para ondas por rayo ypor maniobra.

• Clase de apartarrayos

El tipo estación proporciona mejor protección, el tipointermedio resulta mejor desde el punto de vista

Clase de apartarrayos

52

intermedio resulta mejor desde el punto de vistaeconómico.

53

54

BASES PARA LA SELECCIÓN DEBASES PARA LA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS

La selección de un apartarrayos para protección contraLa selección de un apartarrayos para protección contrasobretensiones de origen atmosférico y por maniobra deinterruptores debe estar de acuerdo con el criterio de

t ió t bl id i t l ió f ió d lprotección establecido para una instalación, en función delcriterio de coordinación de aislamiento adoptado, es decir, sedebe verificar que un tipo de apartarrayos cumpla con losrequerimientos de la línea, transformador, aisladores,etcétera, en la subestación.Las características importantes para la selección de unLas características importantes para la selección de un apartarrayos son:a)Tensión nominal.

b)Corriente nominal de descarga.

55

a)TENSIÓN NOMINAL DELAPARTARRAYOSAPARTARRAYOS.

Es el valor efectivo de la tensión alterna de frecuenciafundamental (60 Hz) a la cual se efectúa la prueba detrabajo, y que puede aparecer en forma permanente en elapartarrayos sin dañarlo. A esta tensión, el apartarrayosextingue la corriente de frecuencia fundamental, por lo quese conoce también como "Tensión de extinción delapartarra os"apartarrayos".

La tensión nominal del apartarrayos se calcula de acuerdo con la expresión:con la expresión:

máxVKeVn=

56

Donde:Donde:Vmáx = Tensión máxima del sistema entre fases

(se refiere al equipo) en KV.Vn = Tensión nominal del apartarrayos en KV.Ke = Factor de conexión a tierra.

El factor Ke depende de la forma en como está conectado elsistema a tierra, considerando la falla de línea a tierra queproduce la sobretensión en las fases no falladas. Deacuerdo con esto la relación de reactancias se secuenciaacuerdo con esto, la relación de reactancias se secuenciacero a secuencia positiva (Xo/X1) y la relación Ro/X1.

57

Para una determinación inicial de los NBI y NBS en laselección del equipo se pueden emplear las siguientesselección del equipo, se pueden emplear las siguientesexpresiones:

Aislamientos no autorecuperables (aislamientos internos) no afectados por condiciones ambientales.

a)Ondas por maniobra de interruptores (switcheo).

)maniobra de impulso por osapartarray del arqueo de tensión( x 15.1NBS=

O también:

)maniobradeimpulsoporimamáxondalade valor( x 15.1NBS= )pp(

58

b) Pb) Por rayo.

)50/2.1 de impulso onda una para spartarrayo a l de residual Tensión( x 2.1NBI=

)50/2.1 de onda una para arqueo de Tensión( x 2.1NBI=

O también:

)(0431 osapartarraydelondadefrenteporarqueodeTensiónxNBI = ) ( 043.1 osapartarraydelondadefrenteporarqueodeTensiónxNBI =

59

El valor de 1.15 en el cálculo del NBS y de 1.2 en el cálculoEl valor de 1.15 en el cálculo del NBS y de 1.2 en el cálculodel NBI se denominan "relaciones de protección" yrepresentan los márgenes de protección.

El valor de 1.043 se obtiene como el cociente de 1.2/1.15,donde 1.15 es el valor de la onda cortada a 3 μseg. de unado de 5 es e a o de a o da co ada a 3 μseg de u aonda de 1.2/50 en por unidad del NBI tomado como 1.15.

En sistemas de extra alta tensión el comité deEn sistemas de extra alta tensión, el comité detransformadores de IEEE recomienda que la relación deprotección anterior para el frente de onda se reduzca a 1.10p ppor unidad en lugar de 1.15.

60

Aislamientos auto-recuperables sujetos a condiciones ambientales (externos).

En este caso, las relaciones anteriores cambian como sigue:

a) Por maniobra de interruptores.)maniobra de impulso por osapartarray del arqueo de Tensión( x

)r 96.0(15.1NBS nδ

=

O también:)maniobra de impulso por imamáx onda la de valor(

)960(

15.1NBS xnδ=

)r 96.0( nδ

Recuérdese que: d035.0 08.1n −=

Las expresiones anteriores ya consideran el NBS corregido

.pies en estructura y conductor entre arqueo no de imamín Distanciad =

por humedad.

61

b) Por impulso de rayob) Por impulso de rayo

Como se sabe, por impulso de rayo el coeficiente de densidad relativa del aire δr el exponente n = 1 0 y ademásdensidad relativa del aire δr el exponente n = 1.0 y además el NBI, aún cuando está determinado para condiciones en seco, no se ve alterado en forma significativa por humedad.

)50/21deondaunaparaarqueodetensióno

osapartarray del residual Tensión( x)r 96.0(

2.1NBIδ

=

O también:

)50/2.1deondauna paraarqueode tensión o

)osapartarray onda de frente para arqueo de Tensión( x)r 96.0(

043.1NBIδ

=

62

Como se ha mencionado anteriormente la tensión deComo se ha mencionado anteriormente, la tensión dedescarga de un apartarrayos es una función de lacorriente de descarga, la cual a su vez es una función dela impedancia característica de la línea Zo, la tensióncrítica de flameo de polaridad negativa para la línea y dela característica tensión-corriente para el apartarrayos. Yp p ycomo se estudió anteriormente, la máxima corriente dedescarga se puede calcular en forma conservativa como:

ZoVrNBIId −

=)( 2

Aunque desde el punto de vista de los fabricantes tambiénAunque desde el punto de vista de los fabricantes tambiénse puede calcular en condiciones ligeramente más severascomo:

VrVCFd )(2ARZoVrVCFId

)(2+

−=

63

Donde:

VCF T ió í i d fl l lí KVVCF = Tensión crítica de flameo para la línea en KV (polaridad negativa).

Vr = Tensión residual del apartarrayos en KVVr = Tensión residual del apartarrayos en KV.

Ra = Resistencia del apartarrayos.

Zo = Impedancia característica de línea en ohms.

Algunos valores de Id en función de las tensiones máximasAlgunos valores de Id en función de las tensiones máximasdel sistema, se dan en la tabla siguiente:

64

TABLA 4VALORES DE CORRIENTES DE APARTARRAYOS

TENSIÓN NOMINA TENSIÓN MÁXIMA ( KV) ID ( KA) VA ORES DETENSIÓN NOMINAL( KV)

TENSIÓN MÁXIMA ( KV) ID ( KA) VALORES DEFABRICA

69 72.5 5 5115 121 5 5230 245 5 5( 10 20)230 245 5 5( 10,20)345 362 7 10( 20 KA)400 420 8 10( 20,40)500 550 10 10( 20)

65

EJEMPLOEJEMPLO

Determinar los niveles básicos de aislamiento (NBI) alimpulso de rayo y por maniobra de interruptores (NBS),para el equipo principal de una subestación eléctrica de230 kV nominales instalada a 1000 M S N M para la que230 kV nominales, instalada a 1000 M.S.N.M., para la quese determinó que la máxima onda por maniobra deinterruptores es de 2.5 p.u. si se supone que se usaráninterruptores es de 2.5 p.u. si se supone que se usaránapartarrayos con las características eléctricas que seindican a continuación y que la instalación está sólidamenteconectada a tierra.

66

C Í A A ACARACTERÍSTICAS DELAPARTARRAYOS

ALTERNATIVA( 1)

ALTERNATIVA( 2)

ALTERNATIVA( 3)

Tensión Nominal( kV r.m.s.) 180 192 240Tensión de arqueo porTensión de arqueo porf rente de onda ( KV) y ondade 1200 kV/( micro seg) 530 560 684

Tensión máxima de arqueoa 100% con onda de 1.2x50 400 427 600a 100% con onda de 1.2x50( kV cresta ) 400 427 600

Tensión de arqueo porimpulso de maniobra( kV cresta) 400 426 567( )Máxima tensión residual( kV) ( IR) con una ondade corrientes de:

5 KA 358 382 47610 KA 400 427 53520 KA 452 482 60540 KA 550 585 724

67

SOLUCIÓN

1) Tensión y corriente nominal del apartarrayos.

Para determinar la tensión nominal del apartarrayosentre las tres alternativas posibles que ofrece elfabricante, se procede como sigue:

máxV KeVn=

Para un sistema efectivamente aterrizado:

8.0Kefactorel0.3X/Xoy0.1X/Ro 11 =≤≤

Y la tensión máxima para el equipo, según tabla es 242kV, por lo que:

8.0Ke factorel0.3 X/Xo y 0.1 X/Ro 11 ≤≤

, p q

KV6.193242x 8.0Vn ==

68

Suponiendo un NBI = 900 KV y que la línea de llegada ala subestación tiene una impedancia característica de300 ohms, en el caso más crítico la corriente de300 ohms, en el caso más crítico la corriente dedescarga es:

KA 6300

900 x 2Id ; ZoNBI 2Id ===

Por lo que se selecciona la alternativa (2) con tensión

300Zo

Por lo que se selecciona la alternativa (2) con tensiónnominal del apartarrayos de 192 kV y 5 KA, la máximaonda de sobretensión por maniobra de interruptores con

f t d b t ió d 2 5un factor de sobretensión de 2.5 es:

KV 10.5005.2 x 245 x32máxE ==

69

2) Valores para coordinación de aislamiento2) Valores para coordinación de aislamiento.

Con estos valores se calculan los siguientes valores de coordinación usando apartarrayoscoordinación usando apartarrayos.

a) Para aislamientos no-autorecuperables (internos) nivel bá i i b idbásico por maniobra requerido:

Los niveles básicos de aislamiento al impulso (rayo)KV490KV 9.489426x15.1NBS ≅==

KV4.458382 x 2.1NBI ==

Los niveles básicos de aislamiento al impulso (rayo)requeridos son:

KV4.512427 x 2.1NBI ==

Y de acuerdo con:

KV08.584560x043.1NBI ==70

b) Para aislamientos auto-recuperables (externos), nivel básico por maniobra requerido: p q

maniobra) de impulsopor osapartarray del arqueo de Tensión( x )r 96.0(

15.1NBS nδ=

A 100 M.S.N.M. 880.0=δγ

0 035 d; d en pies081n = . . . 0.035 d; d en pies08.1n =

A 230 KV, la distancia mínima de no arqueo es: pies 6cm 180d ==

Para esta tensión, se puede tomar un valor de ligeramenteinferior al valor máximo que es la unidad o sea del orden de0.8 a 0.9 por lo que sí se hace:

840.06x140.0n ==

151 KV 40.564426 x840.0 )880.0 x 96.0(

15.1NBS ==

71

NIVEL POR RAYO

Los niveles básicos de aislamiento al impulso (rayo)requeridos son:

KV4.458382 x 2.1NBI ==

KV4.512427 x 2.1NBI ==

KV08.584560x 043.1NBI ==

NIVEL BÁSICO POR RAYO

En 230 KV se puede despreciar el efecto de humedad por loque:

)50/21deondaunaparaarqueodetensiónosapartarraydelresidualTensión(x2.1NBI= )50/2.1deondaunaparaarqueo detensión osapartarray delresidual Tensión( x r

NBIδ

KV 90.520382 x 880.02.1NBI ==

72

Y también:

)onda de frente por arqueo de Tensión( x r

043.1NBIδ

=

KV 72.663560 x 880.0043.1NBI ==

c) Sin usar apartarrayos para aislamientos auto-recuperables (externos)

NIVEL BÁSICO POR MANIOBRA DE INTERRUPTORES

Emax x r2.1NBS

δ= KV 95.6811.500 x

880.02.1NBS ==

Los resultados se pueden resumir en la tabla siguiente:

73

NIVELES DE AISLAM IENTO REQUERIDOS EN LA SUBESTACIÓN DE 230 KV

NBI VALO RESTI PO DE AISLAM IENTO REQ UERIDO

( KV)NBS REQ UERIDO SELECCIO NADO S PARA

EL EQ UIPOCon-a pa r t .

( KV)Sin a pa rt .

( KV) NBI ( KV) NBS ( KV)

Int e rno ( no aut o recuperab le)Tra nsf o rmad orPart e int e r io r y boqui l la s( Tra nsf )

584.08584.08

490490

- - -- - -

750750

620*

Ext erno ( aut o - recuperab le)Aislad ores de b us.Cuchi l la s desconect ado ras

663.72663 72

564.40564 40

768.27768 27

900900

**Cuchi l la s desconect ado ras.

Int e rrup t orBoq ui l la s p a rt e ext erna .( Tra nsf . )Boq ui l la s t ra nsf . Inst rument os.

663.72663.72663.72

663.72

564.40564.40564.40

564.40

768.27768.27768.27

768.27

900900750

750

***

*

* Va lores no esta blecidos en NBS en normas.

74

75

Para una protección más efectiva, los apartarrayos sedeben instalar tan cerca como sea posible del objeto porproteger en la figura se muestra la instalación de losproteger, en la figura se muestra la instalación de losapartarrayos sobre una ménsula en el transformador.

76

TABLA 5TABLA 5PENDIENTE DE FRENTE DE ONDA

PARA APARTARRAYOS

TENSIÓN NOMINAL DEL SISTEMA PENDIENTE DEL FRENTE DE ONDA

Menor de 3 kV 10 KV/micro segundoMenor de 3 kV 10 KV/micro segundo

3 - 240 KV( 100/12) KV/micro seg. por cadakV nominal del apartarrayos

Más de 240 kV 1200 kV/micro segMás de 240 kV 1200 kV/micro-seg

77

EJEMPLO

Determinar la pendiente o índice de crecimientode la tensión de prueba para un apartarrayosque se instalará en una subestación de 230 kVEJEMPLO que se instalará en una subestación de 230 kV,cuyos elementos se consideran con neutrosólidamente conectado a tierra:

SOLUCIÓN

La tensión nominal del apartarrayos es: máxVKeVn=La tensión nominal del apartarrayos es: máxVKeVn=

Para 230 kV, se tiene una tensión máxima de 245 kV.

KV19624580V KV196245x 8.0Vn ==

Si se selecciona un apartarrayos con 100% de protección, latensión nominal sería de 240 kV, y entonces:tensión nominal sería de 240 kV, y entonces:

seg micro/KV 2000240 x S 12100 ==

Aunque normalmente para esta tensión nominal se toma unapendiente de 1200 KV/micro-seg.

78

TABLA 6

CORRIENTES DE DESCARGA EN FUNCIÓN DE LAS TENSIONES NOMINALES DEL SI STEMA

TENSIÓN DEL SISTEMAKV

CORRIENTE DE DESCARGAAMPERES

15 * 34.5 69.0115.0138.0

* 5,000 5,000 5,000

230.0345.0500.0700.0

10,00010,00015,00020,000

* Por lo general no t ienen un blindaje efect ivo

En el caso de instalaciones que no estén blindadas enforma efectiva (por lo general de 138 kV y menores), laforma efectiva (por lo general de 138 kV y menores), lainstalación se puede ver sometida a tensionesextremadamente altas, con índices de elevación(pendientes) del orden de 1000 KV/micro seg. Por otro lado,(pendientes) del orden de 1000 KV/micro seg. Por otro lado,para descargas cercanas a los apartarrayos, se puedentener condiciones severas.

79

Tensión Nominal

Tensión Máxima Máxima tensión de restablecimiento con onda deNominal

del Máxima

por maniobra

KV - RMS KV - CR1.5KA

3.0KA

5.0KA

10.0KA

15.0KA

20.0KA

40.0KA

60 118 117 123 127 136 143 150 17472 142 141 147 153 163 171 180 209

Máxima tensión de restablecimiento con onda de

corriente de 8x20 μseg.

78 154 153 160 166 177 186 195 22784 165 164 272 178 191 200 210 244

90 177 176 184 191 204 214 225 26196 189 187 196 203 218 228 240 278

108 213 211 220 229 245 256 268 313108 213 211 220 229 245 256 268 313120 236 234 245 254 272 285 300 348

132 260 258 270 280 299 314 330 383144 283 280 292 304 326 341 358 416168 331 328 343 356 381 399 420 488

172 338 335 350 364 390 408 429 499172 338 335 350 364 390 408 429 499180 354 351 367 381 408 427 449 522192 378 375 392 407 435 456 479 557228 449 445 465 483 517 541 568 661240 472 468 490 509 544 570 598 696

258 508 503 527 547 585 613 643 748264 519 515 539 559 598 627 658 766276 543 539 563 585 625 655 688 800

288 567 562 588 610 653 684 718 835294 578 573 600 622 666 697 733 852300 590 585 612 636 680 712 748 870312 614 609 637 661 707 741 778 905312 614 609 637 661 707 741 778 905

396 778 885 930 960 992 1098

52b

57b

79b