sobretensiones(e rural)

SOBRETENSIONESSOBRETENSIONESCAPITULO IIICAPITULO III

Parte 1Parte 1

Referencia:Referencia:

Diseño de SE - E. Ras, MéxicoDiseño de SE - E. Ras, México

Jorge Luís de Franco - Tico EED, BrasilJorge Luís de Franco - Tico EED, Brasil

UNLP, Argentina.UNLP, Argentina.

Artículos ABBArtículos ABB

Otros aportesOtros aportes

1. INTRODUCCIÓN1. INTRODUCCIÓN En los sistemas eléctricos, por distintas causas se En los sistemas eléctricos, por distintas causas se

presentan presentan sobretensionessobretensiones, que pueden producir , que pueden producir colapsos de la aislación y en consecuencia daños y/o colapsos de la aislación y en consecuencia daños y/o pérdida del servicio eléctrico.pérdida del servicio eléctrico.

La La aislaciónaislación debe ser elegida debe ser elegida económicamenteeconómicamente, , sobredimensionarla implica aumentos de tamaño, de sobredimensionarla implica aumentos de tamaño, de peso de los cables y equipos, aumento de la peso de los cables y equipos, aumento de la resistencia al flujo de calor (en consecuencia resistencia al flujo de calor (en consecuencia disminución de las densidades de corrientes y del disminución de las densidades de corrientes y del aprovechamiento), factores que se reflejan todos en aprovechamiento), factores que se reflejan todos en mayores costos.mayores costos.

Por otra parte, la Por otra parte, la aislaciónaislación debe estar debe estar dimensionada dimensionada para soportar las solicitaciones que efectivamente se para soportar las solicitaciones que efectivamente se presentarán en el sistema; un presentarán en el sistema; un sobre dimensionamiento sobre dimensionamiento no implica necesariamente mayor beneficiono implica necesariamente mayor beneficio..

1. INTRODUCCIÓN1. INTRODUCCIÓN Las sobretensiones que se presentan dependen Las sobretensiones que se presentan dependen

de factores externos, de características de los de factores externos, de características de los componentes y de características de diseño de componentes y de características de diseño de la red.la red.

El problema debe ser correctamente planteado El problema debe ser correctamente planteado desde el comienzo del desde el comienzo del diseñodiseño, en forma tal de , en forma tal de lograr que las sobretensiones sean mínimas, lograr que las sobretensiones sean mínimas, evitando configuraciones de la red que puedan evitando configuraciones de la red que puedan causar sobretensiones, eligiendo componentes causar sobretensiones, eligiendo componentes adecuados por sus parámetros y formas de adecuados por sus parámetros y formas de operación, previendo y proyectando las operación, previendo y proyectando las protecciones oportunas.protecciones oportunas.

1. INTRODUCCIÓN1. INTRODUCCIÓN Uno de los factores que más influye en la Uno de los factores que más influye en la

magnitud de las sobretensiones es la magnitud de las sobretensiones es la conexión a tierra del neutro del conexión a tierra del neutro del sistemasistema, a medida que la impedancia de , a medida que la impedancia de tierra disminuye se reduce el valor de las tierra disminuye se reduce el valor de las sobretensiones que se pueden presentar.sobretensiones que se pueden presentar.

Pero a su vez la reducción de la impedancia Pero a su vez la reducción de la impedancia de tierra aumenta las corrientes de falla de tierra aumenta las corrientes de falla monofásicas, es así que la elección del sistema monofásicas, es así que la elección del sistema de puesta a tierra de la red de puesta a tierra de la red es un es un compromisocompromiso entre condiciones de entre condiciones de aislamiento y corrientes de cortocircuito aislamiento y corrientes de cortocircuito aceptables.aceptables.

2. SOBRETENSIONES Se denomina sobretensión a toda tensión, Se denomina sobretensión a toda tensión,

función del tiempo, que supera el función del tiempo, que supera el valor valor de crestade cresta de la tensión más elevada del de la tensión más elevada del sistema (Um).sistema (Um). En un sistema trifásico, equilibrado, la En un sistema trifásico, equilibrado, la tensión haciatensión hacia

tierra es la tensión de fase.tierra es la tensión de fase.

E fase = E línea / E fase = E línea / 3 Una sobretensión fase-tierra se refiere al Una sobretensión fase-tierra se refiere al valor de crestavalor de cresta

de la tensión simple (Um de la tensión simple (Um 2//3) . . Una sobretensión entre fases en valor Una sobretensión entre fases en valor relativo se indicarelativo se indica

en la forma K en la forma K 3 y se refiere también a y se refiere también a (Um (Um 2//3)..

2.1 CAUSAS Y EFECTOS

Las causas de sobretensiones pueden Las causas de sobretensiones pueden ser varias, y se enumeran a ser varias, y se enumeran a continuación las más frecuentes.continuación las más frecuentes.

Los cables de guardia o los conductores Los cables de guardia o los conductores de fase pueden ser afectados por de fase pueden ser afectados por descargas atmosféricas, en algunos descargas atmosféricas, en algunos casos la descarga incide en los cables casos la descarga incide en los cables de guardia y se propaga (arco inverso) de guardia y se propaga (arco inverso) a los conductores (Foto 1).a los conductores (Foto 1).

Estas descargas son causa de ondas de Estas descargas son causa de ondas de sobretensión que se desplazan por las sobretensión que se desplazan por las líneas del sistema, alcanzando las líneas del sistema, alcanzando las estaciones eléctricas.estaciones eléctricas.

Arco Arco InversoInverso(Back (Back

FlashovFlashover)er)

FOTO 1FOTO 1

2.1 CAUSAS Y EFECTOS2.1 CAUSAS Y EFECTOS

Una nube cargada produce sobretensiones estáticas de inducción capacitiva, y al desplazarse o descargarse la nube la sobretensión en la línea se desplaza en forma análoga a las sobretensiones atmosféricas.

Efectos análogos al frotamiento, debidos al viento (ambientes secos) producen cargas electrostáticas en las líneas.

2.1 CAUSAS Y EFECTOSPueden producirse contactos entre una parte del sistema de tensión inferior, con un sistema de tensión más elevada, y en consecuencia se presentarán peligrosas sobretensiones en el sistema de tensión inferior.

2.1 CAUSAS Y EFECTOS2.1 CAUSAS Y EFECTOS Las Las vibracionesvibraciones pueden producir condiciones pueden producir condiciones

de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) de falla intermitente (cortocircuitos repetidos) y causar sobretensiones de importancia por y causar sobretensiones de importancia por carga de capacitancias.carga de capacitancias.

Las Las conexiones en autrotransformadorconexiones en autrotransformador en en casos de falla del circuito, del lado casos de falla del circuito, del lado alimentación, implican sobretensiones del alimentación, implican sobretensiones del lado carga que pueden ser inadmisibles.lado carga que pueden ser inadmisibles.

Capacitancias e inductanciasCapacitancias e inductancias pueden producir pueden producir condiciones de resonancia y en consecuencia condiciones de resonancia y en consecuencia sobrecorrientes y/o sobretensiones, como sobrecorrientes y/o sobretensiones, como generalmente hay núcleos de hierro en generalmente hay núcleos de hierro en muchos casos se pueden presentar fenómenos muchos casos se pueden presentar fenómenos de Ferroresonancia.de Ferroresonancia.

2.1 CAUSAS Y EFECTOS2.1 CAUSAS Y EFECTOS Las Las maniobras de interrupciónmaniobras de interrupción, son origen de , son origen de

sobretensiones, de mayor o menor sobretensiones, de mayor o menor importancia según sea la forma de importancia según sea la forma de interrupción del aparato, y las características interrupción del aparato, y las características del circuito.del circuito.

El El establecimiento de corrienteestablecimiento de corriente en ciertos en ciertos circuitos, el restablecimiento de corriente circuitos, el restablecimiento de corriente (durante una interrupción) pueden dar lugar a (durante una interrupción) pueden dar lugar a sobretensiones.sobretensiones.

Las Las interrupciones bruscas de cargasinterrupciones bruscas de cargas, crean , crean también sobretensiones en determinados también sobretensiones en determinados puntos del sistema.puntos del sistema.

Analizando el Analizando el origenorigen pueden clasificarse en pueden clasificarse en sobretensiones de origen externo y de origen sobretensiones de origen externo y de origen interno interno

DE ORIGEN EXTERNO DE ORIGEN EXTERNO

-- Debido a descargas atmosféricas (Rayos).Debido a descargas atmosféricas (Rayos).

-- Son de mayor importancia en sistemas con Son de mayor importancia en sistemas con tensiones inferiores a 300kV.tensiones inferiores a 300kV.

DE ORIGEN INTERNODE ORIGEN INTERNO

-- Debido a maniobras de interruptores.Debido a maniobras de interruptores.

-- Son de mayor importancia en sistemas con Son de mayor importancia en sistemas con tensiones superiores a 300kV.tensiones superiores a 300kV.

2.2 CLASIFICACION DE SOBRETENSIONES

Analizando su Analizando su duraciónduración en cambio, en cambio, se puede decir que son:se puede decir que son:

-- TransitoriasTransitorias (de breve duración) (de breve duración)

-- TemporariasTemporarias (de duración (de duración importante)importante)

-- PermanentesPermanentes..


Analizando su Analizando su formaforma se se reconocen como: reconocen como:

- ImpulsivasImpulsivas..

- PeriódicasPeriódicas (de frecuencias bajas). (de frecuencias bajas).

2.2 CLASFICACION DE 2.2 CLASFICACION DE SOBRETENSIONESSOBRETENSIONES


En resumen, las sobretensiones pueden ser En resumen, las sobretensiones pueden ser clasificadas de acuerdo con la clasificadas de acuerdo con la duraciónduración de la de la sobretensión, su sobretensión, su formaforma, sus , sus efectosefectos en el en el aislamiento, o sobre los dispositivos de aislamiento, o sobre los dispositivos de protección en:protección en:

Sobre tensiones Temporarias.Sobre tensiones Temporarias. Sobre tensiones Transitorias.Sobre tensiones Transitorias.

- Sobre tensiones de Frente Lento o de - Sobre tensiones de Frente Lento o de Maniobra.Maniobra.- Sobre tensiones de Frente Rápido.- Sobre tensiones de Frente Rápido.- Sobre tensiones de Frente Muy Rápidas.- Sobre tensiones de Frente Muy Rápidas.

Sobre tensiones Combinadas.Sobre tensiones Combinadas.

Representación de las clases y formas de sobretensiones

La clasificación por las características La clasificación por las características de de DuraciónDuración y y FormaForma es es particularmente importante porque la particularmente importante porque la NormalizaciónNormalización de ensayos, cuyo objeto de ensayos, cuyo objeto es demostrar que los equipos pueden es demostrar que los equipos pueden soportar estas solicitaciones, se basa soportar estas solicitaciones, se basa precisamente en dicha clasificación.precisamente en dicha clasificación.

2.2 CLASFICACION DE 2.2 CLASFICACION DE SOBRETENSIONESSOBRETENSIONES

2.2 SOBRETENSIONES (Cont.)2.2 SOBRETENSIONES (Cont.)

Así se justifican los ensayos con Así se justifican los ensayos con Sobretensiones deSobretensiones de::

- - Frecuencia IndustrialFrecuencia Industrial, que simulan , que simulan condiciones originadas en contactos, condiciones originadas en contactos, desconexión de cargas, resonancia, etc.desconexión de cargas, resonancia, etc.

-- Maniobra o de ConmutaciónManiobra o de Conmutación, que se simulan , que se simulan con impulsos de tensión que crecen en con impulsos de tensión que crecen en tiempos del orden de 100 microsegundos y tiempos del orden de 100 microsegundos y duran del orden de los 1000 microsegundos.duran del orden de los 1000 microsegundos.

-- ImpulsoImpulso, que simulan descargas atmosféricas , que simulan descargas atmosféricas que crecen en tiempos del orden de 1 que crecen en tiempos del orden de 1 microsegundo y duran del orden de 50 a 100 microsegundo y duran del orden de 50 a 100 microsegundos.microsegundos.


Las solicitaciones que estas diferentes Las solicitaciones que estas diferentes sobretensiones producen son totalmente sobretensiones producen son totalmente distintas, y en consecuencia los aparatos distintas, y en consecuencia los aparatos deben tener características adecuadas para deben tener características adecuadas para soportarlas.soportarlas.

Es importante que el equipamiento no sufra Es importante que el equipamiento no sufra daños ni envejecimientos prematuros por daños ni envejecimientos prematuros por causa de estas sobretensiones. causa de estas sobretensiones.

La amplitud de las sobretensiones está La amplitud de las sobretensiones está especialmente ligada a la conexión más o especialmente ligada a la conexión más o menos efectiva del neutro del sistema a menos efectiva del neutro del sistema a tierra.tierra.

2.2 SOBRETENSIONES2.2 SOBRETENSIONES

En el diseño se deben evitar las condiciones En el diseño se deben evitar las condiciones que produzcan situaciones de peligro, de que produzcan situaciones de peligro, de contactos, de arcos intermitentes, se deben contactos, de arcos intermitentes, se deben controlar que las sobretensiones por controlar que las sobretensiones por condiciones transitorias (desconexión de las condiciones transitorias (desconexión de las cargas, etc.) por maniobras, sean moderadas.cargas, etc.) por maniobras, sean moderadas.

Las Las sobretensiones de origen internosobretensiones de origen interno están están ligadas a la tensión nominal del sistema a ligadas a la tensión nominal del sistema a través de algún coeficiente que depende de la través de algún coeficiente que depende de la puesta a tierra puesta a tierra (Factor de Falla a Tierra = (Factor de Falla a Tierra = k)k)..

En cambio, las En cambio, las sobretensiones de origen sobretensiones de origen externoexterno tienen una amplitud que no depende tienen una amplitud que no depende de la tensión nominal del sistema, al menos en de la tensión nominal del sistema, al menos en principio.principio.


Si el Si el neutroneutro del sistema está del sistema está aisladoaislado de de tierratierra, en general las tensiones son , en general las tensiones son elevadas ya que no existe posibilidad de elevadas ya que no existe posibilidad de descarga de las capacitancias de descarga de las capacitancias de secuencia cero, en estos casos se pueden secuencia cero, en estos casos se pueden alcanzar tensiones elevadas por causas alcanzar tensiones elevadas por causas estáticas. estáticas.

Así mismo, en estos casos los contactos Así mismo, en estos casos los contactos con circuitos de tensión superior son muy con circuitos de tensión superior son muy peligrosos ya que no implican falla del peligrosos ya que no implican falla del sistema de tensión superior, y su sistema de tensión superior, y su desconexión no es efectuada.desconexión no es efectuada.


En su propagación por las líneas la amplitud de En su propagación por las líneas la amplitud de las sobretensiones queda limitada por las sobretensiones queda limitada por fenómenos de efecto corona, o por descargas en fenómenos de efecto corona, o por descargas en determinados puntos.determinados puntos.

Para limitar el valor de estas sobretensiones, y Para limitar el valor de estas sobretensiones, y proteger al sistema de las solicitaciones debidas proteger al sistema de las solicitaciones debidas a descargas atmosféricas se instalan a descargas atmosféricas se instalan PararrayosPararrayos..

Los Los PararrayosPararrayos también tiene la función de también tiene la función de drenar a tierra las sobretensiones de maniobra.drenar a tierra las sobretensiones de maniobra.

2.2.1 Sobretensiones Temporarias Caracterizada por una sobretensión de Caracterizada por una sobretensión de

frecuencia fundamental de duración frecuencia fundamental de duración relativamente larga:relativamente larga:

Pueden ser originadas por:Pueden ser originadas por:- Fallas en el sistema.Fallas en el sistema.- Pérdida súbita de cargas:Pérdida súbita de cargas:- Efecto Ferranti.Efecto Ferranti.- Resonancia y Ferro-Resonancia o por una Resonancia y Ferro-Resonancia o por una

combinación de éstas.combinación de éstas.- Sobre tensiones longitudinales durante la Sobre tensiones longitudinales durante la

SincronizaciónSincronización

2.2.1 Sobretensiones Temporarias (Cont.)

En sistemas con tensiones máximas de operación hasta 245 kV, generalmente las fallas que ocurren en los sistemas se deben a las máximas amplitudes las sobretensiones Temporarias.


Fallas en el sistema El tipo de falla más común que aparece

en un sistema es el corto-circuito Fase-Tierra.

La elevación de la tensión de la fase sana esta directamente relacionada con el tipo de falla y con el tipo de aterramiento del neutro del sistema en el punto en consideración.

La duración de la sobretensión corresponde a la duración de la falla.


Fallas en el sistema

TOV = k . Umax

TOV, Amplitud de la sobretensión en el punto considerado;

k, Factor de Falla a Tierra (Tensión de fase en condición de falla/Tensión de fase sin falla), depende del tipo de aterramiento del neutro del sistema;

Umax, Máxima tensión Fase-Tierra de operación del sistema antes de la ocurrencia de la falla.

Para corto-circuitos Fase-Tierra

k = 0,5 ( 3 . Z0/Z1 j 3) 2 + Z0/Z1

Z0 Impedancia de secuencia cero del sistema Z0 = R0 + jX0

Z1 Impedancia de secuencia positiva delsistema Z1 = R1 + jX1

2.2.1.1 Factor de Falla a Tierra

Para Sistemas con Neutro Efectivamente Aterrado:0 (X0/X1) 3 y 0 (R0/X1) 1 y el Factor de Aterramiento o de Puesta a Tierra “Ke”; K

0.8, luego el Factor de Falla a Tierra “k” es inferior a 1,4 (=0.8x1.73).

TOVSIST. 1,4 . Umax.

En un sistema a tierra IDEAL el Factor de Falla a Tierra k=1.

La duración de las sobretensiones debido a una falla Fase-Tierra para un sistema efectivamente aterrado es normalmente inferior a 0,2 segundos en caso de protección de línea y 1 segundo para protección de respaldo “Back-up”.


■ Para Sistemas con Neutro Aislado, o aterrado por resistencia o impedancia (neutro aislado IDEAL k=1.73); (X0/X1) mayor a 3, (R0/X1) mayor a 1 y el Factor de Aterramiento o de Puesta a Tierra Ke mayor a 0.8, el Factor de Falla a Tierra “k” esta entre 1,4 (=0.8x1.73) y 1.73(=1x1.73), luego las sobretensiones en las fases sanas pueden exceder la tensión Fase-Fase del sistema.


Esto se debe al hecho de que ese tipo de sistema esta acoplado a tierra a través de sus capacitancias parasitas.

La tensión en las fases sanas será:

TOVSIST. 1,73 . Umax.

La duración de la falla puede ser de unos pocos segundos hasta algunas horas, en función de la corriente de falla en virtud al dispositivo de detección que apertura de la falla y de las prácticas de mantenimiento de las compañías eléctricas.


2.2.2 Sobretensiones Transitorias2.2.2 Sobretensiones Transitorias

Caracterizado por una sobre tensión de Caracterizado por una sobre tensión de corta duración, de algunos milisegundos o corta duración, de algunos milisegundos o menos, oscilatoria o no oscilatoria, menos, oscilatoria o no oscilatoria, usualmente fuertemente amortiguada.usualmente fuertemente amortiguada.

- Sobretensiones de Frente Lento o de - Sobretensiones de Frente Lento o de Maniobra.Maniobra.

- Sobretensiones de Frente Rápido.- Sobretensiones de Frente Rápido.

- Sobretensiones de Frente Muy Rápidas.- Sobretensiones de Frente Muy Rápidas.

2.2.2.1 2.2.2.1 Sobretensiones de frente Sobretensiones de frente lento o de lento o de

ManiobraManiobra Se caracterizan por ser sobretensiones Se caracterizan por ser sobretensiones

entre fase-tierra o entre fases, en un entre fase-tierra o entre fases, en un punto definido del sistema, debido a la punto definido del sistema, debido a la operación de un equipo de maniobra por operación de un equipo de maniobra por falla o por cualquier otra causa.falla o por cualquier otra causa.

Su forma de onda presenta tiempos de Su forma de onda presenta tiempos de Cresta y de Cola de algunas decenas o Cresta y de Cola de algunas decenas o algunos millares de microsegundos, algunos millares de microsegundos, estas sobretensiones son fuertemente estas sobretensiones son fuertemente amortiguadas. amortiguadas.


Maniobra (Cont.)Maniobra (Cont.)Para fines de coordinación de Aislamiento, una forma de onda de tensión representativa o impulso de maniobra normalizado utilizado en los ensayos, con un tiempo de Cresta de 250 us, y un tiempo de cola de 2500 us.

Onda 250/2500 s


Maniobra (Cont.)Maniobra (Cont.)Estas sobretensiones normalmente se originan

por: Energización y reconexión de líneas; Eliminación de Fallas; Reconexión de carga; Energización de transformadores; Por efectos de corrientes capacitivas e

indutivas; Descargas atmosféricas que inciden

directamente en conductores distantes del punto considerado;

2.2.2.2 Sobretensiones de frente rápida

Son sobretensiones entre fase-tierra o entre fases, en un punto determinado del sistema, debido principalmente a una descarga atmosférica, cuya forma de onda presenta tiempos de Frente de Onda o Cresta con duraciones de 0,1 s a 20 s y tiempo de Cola de hasta 300 s.

Estas sobretensiones son generalmente fuertemente amortiguadas.

2.2.2.2 Sobretensiones de frente rápida (Cont.)

Para fines de coordinación de aislamiento, la formade onda de tensión representativa y de impulso atmosférico normalizado que se utiliza en los ensayos, presenta tiempos de Cresta T1 = 1,2 s, y de Cola T2 = 50 s.

Onda de Tensión T1/T2 = 1.2/50 s

0.1 Ipk

0.9 Ipk Ipk

0.5 Ipk

= 20 s T2

T1 = 8s

I

Onda de Corriente de Descarga 8 / 20 s (Corto Circuito)

Onda de Onda de Corriente Corriente T1/T2=8/20 us.T1/T2=8/20 us.

2.2.2.3 Sobretensiones de frente muy rápida

Sobretensiones de frente muy rápida son producidas por la operación de seccionadores o defallas dentro de una subestación aislada en SF6(GIS), debido a una disrupción rápida del aislamientogaseoso y a la propagación prácticamente no amortiguada de la onda dentro del GIS.

Sus amplitudes son rápidamente amortiguadas a la salida del GIS, por ejemplo en los bushing de salida de las celdas compactas.

3. COORDINACIÓN DE 3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOAISLAMIENTO

Es el ordenamiento de los niveles de Es el ordenamiento de los niveles de aislación de los diferentes materiales, aislación de los diferentes materiales, equipos e instalación, de tal manera equipos e instalación, de tal manera que al presentarse una onda de que al presentarse una onda de sobretensión, ésta se descargue a sobretensión, ésta se descargue a través del elemento adecuado, que través del elemento adecuado, que llamaremos Pararrayos o Explosor, llamaremos Pararrayos o Explosor, sin producir arqueos ni daños a los sin producir arqueos ni daños a los equipos adyacentes.equipos adyacentes.


La Coordinación de Aislamiento compara La Coordinación de Aislamiento compara las características de operación de los las características de operación de los Pararrayos, dadas por sus curvas Tensión – Pararrayos, dadas por sus curvas Tensión – Tiempo, contra las características de Tiempo, contra las características de respuesta del aislamiento del equipo por respuesta del aislamiento del equipo por proteger, dadas también por sus propias proteger, dadas también por sus propias curvas Tensión – Tiempo. curvas Tensión – Tiempo.

La Coordinación de Aislamiento se refiere La Coordinación de Aislamiento se refiere a la correlación entre los esfuerzos a la correlación entre los esfuerzos dieléctricos aplicados y los esfuerzos dieléctricos aplicados y los esfuerzos dieléctricos resistentes.dieléctricos resistentes.


Existen dos métodos para la Existen dos métodos para la Coordinación de Coordinación de Aislamiento de sobretensiones transitorias: un Aislamiento de sobretensiones transitorias: un método estadístico y uno determinístico. método estadístico y uno determinístico. Muchos de los procedimientos aplicados, sin Muchos de los procedimientos aplicados, sin embargo, son una mezcla de ambos métodos. embargo, son una mezcla de ambos métodos. Por ejemplo, algunos factores usados en el Por ejemplo, algunos factores usados en el método determinístico han sido establecidos a método determinístico han sido establecidos a partir de consideraciones estadísticas y partir de consideraciones estadísticas y ciertas variaciones estadísticas han sido ciertas variaciones estadísticas han sido basadas en métodos determinístico.basadas en métodos determinístico.

3.1 COORDINACIÓN DE 3.1 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOAISLAMIENTO

Método Determinístico Método Determinístico Este método es aplicado normalmente cuando Este método es aplicado normalmente cuando

no se tiene información estadística proveniente no se tiene información estadística proveniente de pruebas relacionadas con la posible tasa de de pruebas relacionadas con la posible tasa de fallas del equipo que se pondrá en servicio.fallas del equipo que se pondrá en servicio.

El El enfoque tradicionalenfoque tradicional de este problema de este problema consiste en evaluar la sobretensión máxima consiste en evaluar la sobretensión máxima que se presenta en un punto de la red y elegir, que se presenta en un punto de la red y elegir, con carácter ampliamente empírico, una con carácter ampliamente empírico, una tensión de ensayo que presente un tensión de ensayo que presente un margen de margen de seguridadseguridad conveniente (entre el conveniente (entre el 15 y 2515 y 25%).%).

En muchos casos la elección del nivel de En muchos casos la elección del nivel de aislación es hecha simplemente en base a aislación es hecha simplemente en base a experiencia adquiridaexperiencia adquirida en redes análogas. en redes análogas.

3. COORDINACIÓN DE 3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOAISLAMIENTON1=Nivel Alto, N1=Nivel Alto, para los para los aislamiento internos no aislamiento internos no

autorecuperablesautorecuperables (sin contacto con el aire), de (sin contacto con el aire), de aparatos como transformadores, interruptores, cables, aparatos como transformadores, interruptores, cables, etc.etc.

N2=Nivel medio o de seguridad, N2=Nivel medio o de seguridad, constituidos por constituidos por los los aislamientos autorecuperablesaislamientos autorecuperables de las partes vivas de las partes vivas de los diferentes equipos, que están en contacto con el de los diferentes equipos, que están en contacto con el aire. Este nivel se adecua de acuerdo con la altura aire. Este nivel se adecua de acuerdo con la altura sobre el nivel del mar de la instalación y corresponde a sobre el nivel del mar de la instalación y corresponde a los aisladores de los Sistemas de Barras, aparatos los aisladores de los Sistemas de Barras, aparatos (bushings), portabarras, pasamuros de la subestación.(bushings), portabarras, pasamuros de la subestación.

N3=Nivel bajo o de protección. N3=Nivel bajo o de protección. Constituido por el Constituido por el nivel de protección de los pararrayos.nivel de protección de los pararrayos.

3.2 COORDINACIÓN DE 3.2 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOAISLAMIENTO

Método EstadísticoMétodo Estadístico Una Una forma más elaboradaforma más elaborada de enfrentar el problema de enfrentar el problema

conduce a considerar el carácter de conduce a considerar el carácter de fenómeno aleatoriofenómeno aleatorio que tienen las sobretensiones.que tienen las sobretensiones.

Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el Se trata entonces de llevar a un nivel aceptable desde el punto de vista de la economía y del serviciopunto de vista de la economía y del servicio la la probabilidad de probabilidad de que se presenten solicitaciones que que se presenten solicitaciones que causen daños al equipo o afecten la continuidad del causen daños al equipo o afecten la continuidad del servicio.servicio.

No es económico realizar equipos y sistemas con grados No es económico realizar equipos y sistemas con grados de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones de seguridad tales que permitan soportar sobretensiones excepcionales.excepcionales.

Se admite que aún en un DISEÑO o MATERIAL bien Se admite que aún en un DISEÑO o MATERIAL bien dimensionado puedan producirse fallas y el problema es dimensionado puedan producirse fallas y el problema es entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un entonces limitar su frecuencia teniendo en cuenta un criterio Técnico –Económico,criterio Técnico –Económico, basado en costo y basado en costo y continuidad del serviciocontinuidad del servicio..

Una coordinación de aislamiento Una coordinación de aislamiento implicaimplica

1. Determinación de las sobretensiones.

2. Selección adecuada de los niveles desoportabilidad del aislamiento de la instalación.

3. Ensayos dieléctricos.4. Dispositivos de protección.


3. COORDINACIÓN DE 3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO AISLAMIENTO

Las características de aislación de un Las características de aislación de un aparato están ligadas a :aparato están ligadas a :

-- La La tensión nominal (U)tensión nominal (U) de la red, valor de la red, valor eficaz de la tensión entre fases a la que eficaz de la tensión entre fases a la que se refieren algunas características de se refieren algunas características de funcionamiento de la misma.funcionamiento de la misma.

-- Tensión más elevada de la red (Um)Tensión más elevada de la red (Um), que , que aparece en un instante cualquiera y en aparece en un instante cualquiera y en cualquier punto de la red en cualquier punto de la red en condicionescondiciones de explotación de explotación normalesnormales. Este valor no . Este valor no tiene en cuenta sobretensiones tiene en cuenta sobretensiones transitorias (maniobras) ni temporarias transitorias (maniobras) ni temporarias (debidas a fallas o desconexiones).(debidas a fallas o desconexiones).

3. COORDINACIÓN DE 3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO (Cont.)AISLAMIENTO (Cont.)

El material se elige entonces teniendo en cuenta El material se elige entonces teniendo en cuenta que su tensión más elevada sea mayor o igual a la que su tensión más elevada sea mayor o igual a la tensión más elevada de la red en la cual se tensión más elevada de la red en la cual se utilizará el material.utilizará el material.

Mientras que por encima de los 100 kV la tensión Mientras que por encima de los 100 kV la tensión más elevada de la red coincide con la del material más elevada de la red coincide con la del material utilizado, por debajo de dicha tensión estos valores utilizado, por debajo de dicha tensión estos valores pueden ser distintos, lógicamente la tensión más pueden ser distintos, lógicamente la tensión más elevada de la red debe ser igual o menor de la del elevada de la red debe ser igual o menor de la del material.material.

Se dice que el material es sometido a una Se dice que el material es sometido a una sobretensión cuando la tensión en función del sobretensión cuando la tensión en función del tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y tiempo supera los valores de cresta fase-tierra, y entre fases que corresponden a la tensión más entre fases que corresponden a la tensión más elevada del material.elevada del material.

3. COORDINACIÓN DE 3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO (Cont.)AISLAMIENTO (Cont.)

Las sobretensiones son siempre fenómenos transitorios.Las sobretensiones son siempre fenómenos transitorios. Un sistema correctamente realizado debe evitar que se Un sistema correctamente realizado debe evitar que se

produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto, con produzcan sobretensiones debidas a fallas de contacto, con sistemas de tensión superior, fallas intermitentes, sistemas de tensión superior, fallas intermitentes, conexiones en autotransformador, condiciones de conexiones en autotransformador, condiciones de ferroresonancia.ferroresonancia.

Las únicas sobretensiones que se presentan son entonces:Las únicas sobretensiones que se presentan son entonces:-- Sobretensiones Temporarias (Tensión a frecuencia Sobretensiones Temporarias (Tensión a frecuencia

industrial en condiciones normales).industrial en condiciones normales).-- Sobretensiones Transitorias (De maniobra y atmosféricas).Sobretensiones Transitorias (De maniobra y atmosféricas). Para las aislaciones sujetas a contaminación o Para las aislaciones sujetas a contaminación o

envejecimiento, el comportamiento frente a estas envejecimiento, el comportamiento frente a estas solicitaciones a lo largo de la vida varía (Se especifica un solicitaciones a lo largo de la vida varía (Se especifica un mínimo de Línea de Fuga para los equipos, indicadas en las mínimo de Línea de Fuga para los equipos, indicadas en las normas IEC o ANSI).normas IEC o ANSI).Este hecho debe tenerse en cuenta en su Este hecho debe tenerse en cuenta en su dimensionamiento.dimensionamiento.

TENSION NOMINALTENSION NOMINAL

La tensión nominal de la subestación La tensión nominal de la subestación se elige considerando los siguientes se elige considerando los siguientes aspectos:aspectos:

En función de la potencia a En función de la potencia a transmitir por la red (si es transmitir por la red (si es alimentada en forma radial).alimentada en forma radial).

En función de la tensión existente (si En función de la tensión existente (si es alimentada de un red en anillo o es alimentada de un red en anillo o de una línea cercana).de una línea cercana).

NIVEL DE AISLAMIENTONIVEL DE AISLAMIENTO

El asilamiento de la instalación está El asilamiento de la instalación está asociado a las siguientes tensiones de asociado a las siguientes tensiones de prueba:prueba:

-- Nivel de Aislamiento a Nivel de Aislamiento a Frecuencia Industrial Frecuencia Industrial

(de 15 a 100 Hz).(de 15 a 100 Hz).

-- Nivel de Aislamiento al ImpulsoNivel de Aislamiento al Impulso

(Onda 1.2x50 uS).(Onda 1.2x50 uS).

NIVEL BÁSICO DE NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO (BIL)AISLAMIENTO (BIL)

Esta característica determina el aislamiento Esta característica determina el aislamiento de los aparatos, las distancias entre las de los aparatos, las distancias entre las partes conductoras de fase diferente y entre partes conductoras de fase diferente y entre fase y tierra.fase y tierra.

Es un factor importante en el costo de la SE.Es un factor importante en el costo de la SE. Ejemplo:Ejemplo:

Tensión máxima para el equipo: 245kVTensión máxima para el equipo: 245kV Nivel de Aislamiento al Impulso: 1050kVp Nivel de Aislamiento al Impulso: 1050kVp

(Aislamiento pleno)(Aislamiento pleno) Nivel de aislamiento al Impulso: 900, 825, 750kVp Nivel de aislamiento al Impulso: 900, 825, 750kVp

(Aislamiento reducido)(Aislamiento reducido)

TENSIONES TENSIONES NORMALIZADASNORMALIZADAS

En una SE, una vez determinada la En una SE, una vez determinada la tensión nominal o de operación, la tensión nominal o de operación, la Norma (elegida) fija el valor de la Norma (elegida) fija el valor de la Tensión Máxima del Equipo, ésta a su Tensión Máxima del Equipo, ésta a su vez fija la Tensión de Prueba a vez fija la Tensión de Prueba a Frecuencia Industrial y el Nivel Básico Frecuencia Industrial y el Nivel Básico de Aislamiento al Impulso (BIL).de Aislamiento al Impulso (BIL).

Ejemplo (IEC 60071-1, Tabla 2):Ejemplo (IEC 60071-1, Tabla 2):

60 kV60 kV 72.5 kV72.5 kV 140 kV140 kV 325 kVp325 kVp

CORRECCIÓN DEL BIL POR CORRECCIÓN DEL BIL POR ALTITUDALTITUD

Altitud (m)Altitud (m) Factores de corrección del nivel de aislamientoFactores de corrección del nivel de aislamiento 10001000 1.001.00 12001200 0.980.98 15001500 0.950.95 18001800 0.920.92 21002100 0.890.89 24002400 0.860.86 27002700 0.830.83 30003000 0.800.80 36003600 0.750.75 42004200 0.700.70 45004500 0.670.67

FUENTE Normas USAS C57.FUENTE Normas USAS C57.

NIVEL DE AISLAMIENTO NIVEL DE AISLAMIENTO INTERNO Y EXTERNO DE INTERNO Y EXTERNO DE

EQUIPOSEQUIPOS Sistema: 230kV nominalSistema: 230kV nominal Instalación a 2300 m. de altura sobre el nivel del Instalación a 2300 m. de altura sobre el nivel del

mar.mar. Equipo a seleccionar: Aislamiento del Equipo a seleccionar: Aislamiento del

TransformadorTransformador Tensión máxima de equipo: 245kVTensión máxima de equipo: 245kV Aislamiento externo (BUSHING) a nivel del Aislamiento externo (BUSHING) a nivel del

mar : 1050kVp.mar : 1050kVp. Factor de Corrección por altura : 0.87Factor de Corrección por altura : 0.87 El BIL se reduce a 1050 x 0.87= 913.5 kVpEl BIL se reduce a 1050 x 0.87= 913.5 kVp

NIVEL DE AISLAMIENTO NIVEL DE AISLAMIENTO INTERNO Y EXTERNO DE INTERNO Y EXTERNO DE

EQUIPOS (Cont.)EQUIPOS (Cont.) Según la Tabla de Niveles de Aislamiento Según la Tabla de Niveles de Aislamiento

IEC 71, para 245 kV, se puede escoger IEC 71, para 245 kV, se puede escoger los siguientes valores (Aislamiento los siguientes valores (Aislamiento Reducido) para los bobinados 900, 825, Reducido) para los bobinados 900, 825, 750 kVp.750 kVp.

Para obtener coordinación de aislamiento Para obtener coordinación de aislamiento entre los Bushing exteriores (BIL = entre los Bushing exteriores (BIL = 913kVp), y el bobinado interior se puede 913kVp), y el bobinado interior se puede elegir el valor de 900 kVp para el BIL elegir el valor de 900 kVp para el BIL Interno.Interno.

NIVEL DE AISLAMIENTO NIVEL DE AISLAMIENTO PARA SOPORTE DE BARRASPARA SOPORTE DE BARRAS

Los soporte de Barras dependen del Los soporte de Barras dependen del diseño elegido, para ello se emplean diseño elegido, para ello se emplean dos tipos de aisladores.dos tipos de aisladores.-- Barras Flexibles, aisladores tipo cadena.Barras Flexibles, aisladores tipo cadena.

Para 220 kV: 16 discos de 10”D x 5 Para 220 kV: 16 discos de 10”D x 5 3/43/4” ” de paso tienen un BIL de 1425kVp .de paso tienen un BIL de 1425kVp .

-- Barras Rígidas, aisladores tipo columna.Barras Rígidas, aisladores tipo columna.

Para 220 kV: 7 columnas que tienen un Para 220 kV: 7 columnas que tienen un BIL de 1300kVp.BIL de 1300kVp.

FACTOR DE CORRECCION FACTOR DE CORRECCION POR LA DENSIDAD DEL AIREPOR LA DENSIDAD DEL AIRE

Ejemplo:Ejemplo: Para soporte de Barras.Para soporte de Barras.

-- Aisladores tipo cadena, para soportar Aisladores tipo cadena, para soportar barras flexibles. Para 220kV :16 discos de barras flexibles. Para 220kV :16 discos de porcelana, tienen un BIL de 1425kVp. A porcelana, tienen un BIL de 1425kVp. A 2300 msnm, se tiene 1425x0.763 = 1087 2300 msnm, se tiene 1425x0.763 = 1087 kVkV

-- Aisladores tipo columna, para soportar Aisladores tipo columna, para soportar barras tipo rígido. Para 220kV : 7 columnas barras tipo rígido. Para 220kV : 7 columnas que tienen un BIL de 1300kVp. A 2300 que tienen un BIL de 1300kVp. A 2300 msnm, se tiene 1300x0.763 = 992 kV.msnm, se tiene 1300x0.763 = 992 kV.

DETERMINACION DE DISTANCIAS DETERMINACION DE DISTANCIAS DIELECTRICAS EN SUBESTACIONESDIELECTRICAS EN SUBESTACIONES

La publicación IEC 71A La publicación IEC 71A “Recomendaciones para la coordinación “Recomendaciones para la coordinación de aislamiento”, establece las Distancias de aislamiento”, establece las Distancias Mínimas a Tierra.Mínimas a Tierra.

Tensión MáximaTensión Máxima BILBIL D.M.T.D.M.T.

del Sistema.del Sistema. (cm.)(cm.)

72.5kV72.5kV 325kVp325kVp 6363 La Distancia Mínima entre Fases se La Distancia Mínima entre Fases se

calcula: 1.15x D.M.T = 1.15x63 = 72.5 calcula: 1.15x D.M.T = 1.15x63 = 72.5 cmcm

DETERMINACION DE DISTANCIAS DETERMINACION DE DISTANCIAS DIELECTRICAS EN SUBESTACIONES DIELECTRICAS EN SUBESTACIONES DETERMINACION DE DISTANCIAS DETERMINACION DE DISTANCIAS

DIELECTRICAS EN SUBESTACIONES (Cont.)DIELECTRICAS EN SUBESTACIONES (Cont.)

Para Barras Flexibles, se debe tomar Para Barras Flexibles, se debe tomar en cuenta los desplazamiento debido en cuenta los desplazamiento debido al viento y a los sismos:al viento y a los sismos:

La Distancia Mínima de Diseño entre La Distancia Mínima de Diseño entre Fases se puede calcular :Fases se puede calcular :** 1.8 x Dist. Mínima de Tierra (para vanos 1.8 x Dist. Mínima de Tierra (para vanos hasta 40 m.)hasta 40 m.)

** 2.0 x Dist. Mínima de Tierra (para vanos 2.0 x Dist. Mínima de Tierra (para vanos mayores de 40 m.)mayores de 40 m.)

INFLUENCIA DE LA INFLUENCIA DE LA CONTAMINACION EN EL DISEÑO CONTAMINACION EN EL DISEÑO

DEL AISLAMIENTODEL AISLAMIENTOIEC ha especificado cuatro niveles IEC ha especificado cuatro niveles cualitativos de contaminación, la cual se cualitativos de contaminación, la cual se aplica solo a aislamientos de vidrio o aplica solo a aislamientos de vidrio o porcelana y no cubre algunas condiciones porcelana y no cubre algunas condiciones ambientales tales como nieve y hielo bajo ambientales tales como nieve y hielo bajo fuerte contaminación, lluvia intensa, zonas fuerte contaminación, lluvia intensa, zonas áridas.áridas. Nivel I:Nivel I: Ligero (16 mm/kV) (*)Ligero (16 mm/kV) (*) Nivel II:Nivel II: Medio (20 mm/kV)Medio (20 mm/kV) Nivel III:Nivel III: Fuerte (25 mm/kV)Fuerte (25 mm/kV) Nivel IV:Nivel IV: Muy fuerte (31 mm/kV)Muy fuerte (31 mm/kV)

(*) Se refiere a la línea de fuga del Equipo.(*) Se refiere a la línea de fuga del Equipo.

Normas para Coordinación de AislamientoNormas para Coordinación de Aislamiento

IEC 60071-1, Séptima edición, 1993-11; Parte 1: Definiciones, IEC 60071-1, Séptima edición, 1993-11; Parte 1: Definiciones, principios y reglas.principios y reglas.

IEC 60071-2, Tercera edición, 1996-12; Parte 2: Guía de IEC 60071-2, Tercera edición, 1996-12; Parte 2: Guía de aplicación.aplicación.

IEC 60056: 1987 – Interruptores automáticos de corriente IEC 60056: 1987 – Interruptores automáticos de corriente alterna para alta tensión.alterna para alta tensión.

IEC 60060-1: 1989 – Ensayos de alta tensión. Parte 1: IEC 60060-1: 1989 – Ensayos de alta tensión. Parte 1: Definiciones y prescripciones generales relativas a los ensayos.Definiciones y prescripciones generales relativas a los ensayos.

IEC 60099-1: 1991 – Pararrayos. Parte 1: Pararrayos de IEC 60099-1: 1991 – Pararrayos. Parte 1: Pararrayos de resistencia variable con explosores para redes de corriente resistencia variable con explosores para redes de corriente alterna.alterna.

IEC 60099-4: 1991 – Pararrayos. Parte 4: Pararrayos de óxido IEC 60099-4: 1991 – Pararrayos. Parte 4: Pararrayos de óxido metálico sin explosores para sistema de corriente alterna.metálico sin explosores para sistema de corriente alterna.

Normas (Cont.)Normas (Cont.)

IEC 60099-5: 1996 – Pararrayos. Parte 5: Recomendaciones IEC 60099-5: 1996 – Pararrayos. Parte 5: Recomendaciones para la selección y utilización. Sección 1: Generalidades.para la selección y utilización. Sección 1: Generalidades.

IEC 60505: 1975 – Guía para la evaluación y la identificación de IEC 60505: 1975 – Guía para la evaluación y la identificación de los sistemas de aislamiento del material eléctrico.los sistemas de aislamiento del material eléctrico.

IEC 60507: 1991 – Ensayo de contaminación artificial de IEC 60507: 1991 – Ensayo de contaminación artificial de aisladores para alta tensión, destinados a redes de corriente aisladores para alta tensión, destinados a redes de corriente alterna.alterna.

IEC 60721-2-3: 1987 – Clasificación de las condiciones IEC 60721-2-3: 1987 – Clasificación de las condiciones ambientales. Parte 2: Condiciones ambientales presentes en la ambientales. Parte 2: Condiciones ambientales presentes en la naturaleza. Presión atmosférica.naturaleza. Presión atmosférica.

IEC 60815: 1986 – Guía para la selección de aisladores con IEC 60815: 1986 – Guía para la selección de aisladores con respecto a condiciones de contaminación.respecto a condiciones de contaminación.

FINFIN

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