Cable de Guarda

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN INDICE INTRODUCCIÓN INTRODUCCIÓN............................................ .................................................................... .............................................. ............................................. ............................. ...... 2 DEFINICION ........................................... ................................................................... .............................................. ............................................. ..................................... ..............7 PROPUESTAS PARA LA COLOCACIÓN DEL CABLE DE GUARDA............................ ............................ 8 CARACTERÍSTICAS CARACTERÍSTICAS DE UNA LÍNEA L ÍNEA EN ESTUDIO-EJEMPLO .......................... .................................... .......... 9 MÉTODOS DE UBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDIA ........................................... ............................................... .... 11 MÉTODOS CLÁSICOS ............................................. ..................................................................... .............................................. .................................. ............ 11 Charles ............................................. .................................................................... ............................................. ............................................. ............................... ........ 11 Wagner y Mac Cann................................... Cann......................................................... ............................................. .......................................... ...................14 Schwaiger ........................................... ................................................................... .............................................. ............................................. ........................... .... 16 Langrehr............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ........................... ... 18 OTROS METODOS............................................................ ................................................................................... .............................................. ........................... ....20 BEWLEY: .............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. .......................20 GOLDE: ............................................. ..................................................................... .............................................. .............................................. ........................... ... 20 LEWIS: ............................................ ................................................................... ............................................. ............................................. ............................... ........ 21 GRÜNEWALD: ............................................ .................................................................... ............................................... ...................................... ...............21 REQUERIMIENTOS REQUERIMIENTOS DE AISLAMIENTO ......................................... ............................................................... .................................. ............ 24 EFECTO DE LAS PUESTAS A TIERRA Y EL NIVEL DE AISLAMIENTO .................25 Modelo Electro-geométrico Simplificado ................................................................. ............................................................................ ...........26 Aplicación del modelo a la línea de 500 kV .................................................. ..................................................................... ...................28 EVALUACIÓN DE LA PROBABILIDAD DE LA INCIDENCIA DE DESCARGA O RIESGO DE EXPOSICIÓN EN UNA INSTALACIÓN ........................................ ................................................... ...........34 A). NIVEL ISOCERÁUNICO ISOCERÁUNICO ............................................ ................................................................... .............................................. .......................34 B). DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA (DGFD) ............................................ ................................................... ....... 34 CONCLUSIONES CONCLUSIONES ............................................ .................................................................... .............................................. ............................................. ........................... .... 37 BIBLIOGRAFIA BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS ........................................... .................................................................. .......................................... ...................38

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN

INTRODUCCIÓN El cable de guarda es un conductor tendido en paralelo y sobre los conductores de fase de una línea de transmisión. Se encuentra ubicado en la parte superior de la estructura, de tal forma de cubrir o apantallar los conductores de fase. Cuando se tiene una disposición de los conductores de fase en doble circuito, se requiere dos cables de guarda para proporcionar una protección eficaz a los conductores de fase, debido a descargas eléctricas directas (rayos), mientras que en la configuración vertical se requiere un solo cable de guarda. El cable de guarda generalmente está compuesto por hilos de acero galvanizado galvanizado o es usual usar en las líneas de transmisión t ransmisión modernas el mismo calibre del conductor ACSR usado en los conductores de fase. El material y el tamaño del conductor requerido en el diseño provienen más de una consideración mecánica que eléctrica. Una reducción de la resistencia efectiva a tierra se puede lograr por medios relativamente simples y más baratos.


INTRODUCCIÓN El cable de guarda es un conductor tendido en paralelo y sobre los conductores de fase de una línea de transmisión. Se encuentra ubicado en la parte superior de la estructura, de tal forma de cubrir o apantallar los conductores de fase. Cuando se tiene una disposición de los conductores de fase en doble circuito, se requiere dos cables de guarda para proporcionar una protección eficaz a los conductores de fase, debido a descargas eléctricas directas (rayos), mientras que en la configuración vertical se requiere un solo cable de guarda. El cable de guarda generalmente está compuesto por hilos de acero galvanizado galvanizado o es usual usar en las líneas de transmisión t ransmisión modernas el mismo calibre del conductor ACSR usado en los conductores de fase. El material y el tamaño del conductor requerido en el diseño provienen más de una consideración mecánica que eléctrica. Una reducción de la resistencia efectiva a tierra se puede lograr por medios relativamente simples y más baratos.


El cable de tierra tiene los siguientes objetivos: 1. Protege los conductores de fase de las descargas eléctricas directas. 2. Cuando un rayo cae sobre la torre, los cables de guarda a ambos lados de la torre proporcionan caminos paralelos para la descarga, con lo que la impedancia efectiva se reduce y el potencial de la parte superior de la torre es relativamente menor. 3. Existe acoplamiento eléctrico y magnético entre el cable de guarda y los conductores de fase, lo que ayuda a reducir las fallas de aislamiento. El ángulo de protección del cable de guarda se define como el ángulo entre la línea vertical que pasa por el cable de guarda y la línea que une el cable de guarda y el conductor de fase más alejado de la estructura. La zona de protección brindada es un cono con vértice en el cable de guarda y con una base que termina en el conductor de fase más alejado de la estructura (ver figura

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN conductores de fase que se encuentran encuentran debajo de un cuadrante circular con centro a la altura del cable de guarda y con su radio igual a la altura del cable de guarda por encima del suelo. Si se utilizan dos o más cables de guarda, la zona de protección entre los dos cables adyacentes puede ser tomada como un semi-círculo que tiene como diámetro una línea que conecta los dos cables de guarda (Fig.). La experiencia de campo junto a las investigaciones de laboratorio, han demostrado que el ángulo de protección debe ser de casi 30 ° en zonas llanas mientras que el ángulo disminuye en zonas montañosas en un valor igual a la pendiente de la colina.

La tensión a la que una torre de transmisión se eleva cuando un rayo cae sobre la torre, es independiente de la tensión de funcionamiento del sistema y por lo tanto el diseño de línea de transmisión contra rayos para un rendimiento deseado es independiente de la tensión de funcionamiento. El requisito básico para el diseño de una línea basada en trazo directo es: 

Los cables de tierra utilizados para el blindaje bli ndaje de la línea deben ser mecánicamente fuerte y deben estar situados de manera que proporcionan protección protección suficiente.



No debe haber espacio suficiente entre el poder conductores sí y entre los conductores de potencia y el suelo o la estructura de la torre para una tensión de servicio particular.



La resistencia pie de la torre debe ser tan baja como puede ser justificado

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN Para cumplir con el primer punto, el cable de tierra, como se dijo anteriormente está hecho de alambre de acero galvanizado o alambre ACSR y el ángulo de protección decide la ubicación del cable a tierra para blindaje efectivo. El segundo factor, es decir, un espacio libre adecuado entre el conductor y la estructura de la torre se obtiene mediante el diseño de una longitud adecuada de brazo transversal tal que cuando una cadena se le da un giro de 30 ° hacia la estructura de la torre del espacio de aire entre el conductor de alimentación y estructura de la torre debe ser lo suficientemente bueno para soportar la tensión de conmutación esperada en el sistema, normalmente cuatro veces el voltaje de línea a tierra.

Los espacios entre los conductores también deben ajustarse mediante el ajuste de la holgura de modo que se evitan las descargas disruptivas mediadas palmo. El tercer requisito es tener una baja resistencia a la torre de pie económicamente factible. El valor estándar de esta resistencia aceptable es de aproximadamente 10 ohmios para 66 kV y aumenta con la tensión de servicio.Para 400 kV es aprox. 80 ohmios. La resistencia a la torre de pie es el valor de la resistencia pie cuando se mide a 50 Hz. El rendimiento de la línea con respecto a un rayo depende del valor de impulso de la resistencia que es una función de la resistividad del suelo, gradiente de ruptura crítico del suelo, la longitud y el tipo de motivos o contrapesos accionados y la

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN de la resistencia de condiciones, se adoptan métodos siguientes. Una posibilidad podría ser el tratamiento químico del suelo. Este método no es posible en la práctica debido a la lar ga duración de las líneas y porque este método necesita control regular sobre las condiciones del suelo. No es posible comprobar las condiciones del suelo en todos y cada torre de la línea que se ejecuta en varios kilómetros. Por lo tanto, este método se utiliza más para la mejora de los terrenos de la subestación.


DEFINICION Las necesidades energéticas del mundo actual hacen que se requiera un suministro de energía confiable. Las fallas o salidas de servicio de equipos eléctricos y líneas de transmisión debidas a las descargas atmosféricas pueden ser muy importantes si no se toman los cuidados debidos. El impacto de una descarga atmosférica en una línea de transmisión o en sus cercanías, puede dar lugar a una elevación de la tensión sobre alguno de sus elementos (cables de guardia y estructura de soporte, conductores de fase). El sobre-elevación de tensión es indeseable ya que puede originar una falla en la línea o en los equipos conectados a esta en sus extremos. Dependiendo de dónde impacte la descarga las fallas se pueden originar por: 

Fallas de Blindaje : se producen cuando una descarga impacta sobre un conductor de fase provocando una sobretensión migratoria que, en caso de superar el nivel de aislación de la línea, provoca el contorneo de la aislación y la subsecuente falla a tierra. De no superar dicho nivel la sobretensión viaja por la línea hasta sus extremos.



Inducción : se producen cuando una descarga impacta en las cercanías de la línea provocando una sobretensión inducida.



Contorneo Inverso : se puede producir si al impactar una descarga sobre el cable de guardia o la torre, la tensión resultante entre supera el nivel de aislación, provocando el cebado del arco desde la torre hacia los conductores de fase.

En este trabajo solamente se presta atención a las primeras, más concretamente a la forma de evitarlas, que es la correcta ubicación de los cables de guardia. Para esto se analizan diferentes métodos de ubicación de los cables de guardia y se obtienen conclusiones.

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN PROPUESTAS PARA LA COLOCACIÓN DEL CABLE DE GUARDA El problema de cómo colocar el hilo de guardia para conseguir una protección total contra las descargas directas de los rayos a los conductores ha sido muy discutido, no llegándose hasta ahora a ningún resultado definitivo. Por ello se enuncian las principales propuestas para resolver el problema, a fin de elegir una solución adecuada que garantice el funcionamiento seguro de la línea y que sea económicamente aceptable. En la figura 3 se muestran las distintas propuestas, las cuales se analizan a continuación.

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN CARACTERÍSTICAS DE UNA LÍNEA EN ESTUDIO-EJEMPLO En este trabajo se estudia el desempeño de frente a descargas atmosféricas de una línea de 500 kV, de disposición coplanar horizontal, soportada por una torre reticulada de acero, con un vano de 465 m. Los conductores se consideran del tipo Al-Ac 300/50 mm 2 de 24.5 mm de diámetro y están dispuestos en forma de haz de 4 sub-conductores cuadrado de 50 cm entre centros. La protección frente a descargas atmosféricas se realiza mediante doble cable de guardia. La forma y dimensiones principales de la torre de suspensión se pueden ver en la Figura 1.


Figura 1: Torre de la línea de 500 kV, dimensiones principales en [m].


MÉTODOS DE UBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDIA Existen diferentes métodos para ubicar los cables de guardia y cada uno de ellos proporciona una zona de protección contra descargas directas diferente. Los métodos clásicos se basan principalmente en criterios geométricos sin mayores fundamentos teóricos que los resultados obtenidos de su aplicación. Los métodos clásicos que se utilizan en este trabajo son:    

Charles Wagner y Mac Cann Schwaiger Langrehr

También existen métodos modernos que se basan en modelos teóricos del fenómeno de descargas atmosféricas. En este trabajo se utiliza en particular un método basado en el denominado Modelo Electro-geométrico. A continuación se analiza la protección brindada por los cables de guardia de la línea de 500 kV según los diferentes métodos. En algunos casos se indica también la ubicación que deberían tener los cables de guardia para brindar una protección óptima según cada criterio.

MÉTODOS CLÁSICOS 

CHARLES

Este criterio establece un ángulo de apantallamiento α= 45º con la vertical, de modo tal que la descarga atmosférica no caerá sobre ningún objeto que se encuentre dentro del cono delimitado por dicho ángulo. Este criterio es poco severo y permite ubicar el cable de guardia a menor altura. El apantallamiento que brindan los cables de guardia de la línea según este criterio se puede ver en la Figura 2, se observa que las fases exteriores tienen un apantallamiento excesivo mientras que la fase central no resulta protegida.


Figura 2: Zona de protección contra des cargas directas según Charles.

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN Reubicando los cables de guardia según este criterio s e logran dos alternativas, simple o doble cable de guardia. La ubicación resultante se puede ver en la figurA.

Figura 3: Ubicación del cable de guardia según Charles, para simple y doble cable.

Es interesante destacar que según este método, se evita colocar una estructura adicional para soportar los cables de guardia. Esto reafirma la afirmación de que el criterio e s muy poco severo.

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN 

WAGNER Y MAC CANN

De forma similar al criterio anterior, en este caso los autores consideran que los cables de guardia protege n un ángulo α= 30º con la vertical, esto resulta en una ubicación más elevada del cable de guardia. El apantallamiento que brindan los cables de guardia de la línea según este criterio se puede ver en la Figura 4, se observa que solamente las fases laterales resultan protegidas.

Figura 4: Zona de protección contra descargas directas según Wagner y Mac Cann.

TECNICAS DE ALTA TENSIÓN Se pueden reubicar los cables de guardia según este criterio de forma tal que resulten protegidos todos los conductores de potencia. La ubicación resultante se puede ver en la Figura 5.

Figura 5: Reubicación del cable de guardia según Wagner y Mac Cann. Se indica con línea punteada la ubicación original del cable de guardia.


SCHWAIGER

Este método considera que cuando el trazador de una descarga atmosférica se aproxima a la tierra, este alcanza una altura H (medida desde el suelo) en la cual elige para caer el punto conectado a tierra más cercano. Teniendo en cuenta la afirmación anterior se puede determinar una altura h a la cual instalar un elemento captador, de forma tal de proporcionar una zona de protección. El autor del método toma la relación H/h = 1 siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guardia. La zona de protección resultante queda determinada por un cuarto de circunferencia de radio h, como se puede ver en la Figura 6, de modo tal que resultará protegido lo que se encuentre por debajo de esta.

Figura 6: Criterio de Schwaiger, construcción teórica. Según este criterio los cables de guardia de la línea de 500 kV, protegen una zona delimitada por una circunferencia con un radio de 34,65 [m] y como se puede ver en la Figura 7, los conductores de potencia no resultan protegidos.


Figura 7: Zona de protección contra descargas directas según Schwaiger, (se muestra solo para un cable). Se puede determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guardia, según este criterio, para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se calcula la altura mediante la siguiente ecuación: Dónde: yc= Altura del conductor de fase; h = Altura del cable de guardia; xc = distancia media entre conductores de fase. El resultado indica que el cable de guardia se debe instalar a 49,2 [m] de altura, esto resulta impracticable desde un punto de vista técnico económico.


LANGREHR

Este criterio hace exactamente las mismas consideraciones teóricas que el anterior (Schwaiger), pero toma la relación H/h=2, siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guardia. De esta manera la zona de protección resulta delimitada por un cuarto de circunferencia de radio 2h. Aplicando este criterio a la línea de 500 kV, la zona de protección resulta delimitada por una circunferencia de 69,3 [m] y como se puede ver en la Figura 8, solamente resultan protegidas las fases exteriores. Un resultado curioso se obtiene al determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guardia según este criterio para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se utiliza la siguiente ecuación:

Dónde: yc= Altura del conductor; h = Altura del cable de guardia; xc = distancia media entre conductores de fase. El resultado indica que el cable de guardia se debe instalar a 34,55 [m] de altura, esto es 10 cm por debajo de su ubicación real (34,65 m). De modo tal que para proteger a la línea según este criterio solamente se deberían desplazar los cables de guardia 3,6 [m] hacia el centro de la torre. Esto está indicado en la Figura 9. Otro aspecto interesante a destacar, es la similitud de este criterio con el de Wagner y Mac Cann (30º), ya que ambos proporcionan una zona de protección muy parecida.


Figura 8: Zona de protección contra descargas directas según Langrehr, (se muestra solo para un cable).


Figura 9: Reubicación del cable de guardia según Langrehr, se muestra el desplazamiento realizado y una nueva estructura de soporte.

OTROS METODOS 

BEWLEY:

Asume que el rayo choca siempre el objeto mas próximo a la nube cargada y deduce de esta hipótesis las formulas para la colocación de los hilos de guardia. Estas formulas dependen de la altura de las nubes cargadas, lo que es un factor difícil de determinar. Bewley llega a la conclusión de que, para las nubes de una altura de 5 a 30 veces la altura de los hilos de guardia sobre la tierra, el ángulo protector es de 55° a 75°. 

GOLDE:

Llega a la conclusión de que el ángulo protector del hilo de guardia es aproximadamente 64° y aumenta con la intensidad de la corriente del rayo.




LEWIS:

Recomienda para conductores dispuestos horizontalmente, la aplicación de 2 hilos de guardia, colocados sobre los conductores a una altura igual a

⅔ de la distancia entre los

conductores. La

distancia entre los hilos de guardia debe ser igual a la existente entre los conductores. El ángulo protector resulta de 36° (figura 4).



GRÜNEWALD:

Recomienda asumir el ángulo protector de 32º. Actualmente por ofrecer adecuada protección y ser económicamente justificable, el método mas utilizado es el de Langrehr.De acuerdo a la figura 6 se tiene:


Se ha demostrado experimentalmente que el espacio protegido por un cable de tierra esta delimitado, aproximadamente, por un arco circular de radio igual a la altura del cable de tierra sobre el suelo (figura 7).

Con lo expuesto quedan definidos los criterios para la disposición de los conductores y de los hilos de guardia; pero los hilos de guardia colocados sobre los conductores de línea, aun si soportan el golpe del rayo, no garantizan por si mismo una eficaz protección del sistema si la aislación de la línea no se ajusta a las consecuencias que produce el golpe del rayo en el hilo de guardia. Como ya se dijo, el rayo da origen a corriente del orden de hasta 100 KA.


Esta corriente que fluye a tierra se distribuye sobre varios soportes de línea (figura 8) si la línea esta provista de hilo de guardia, soporte y puesta a tierra una caída de tensión debida a la resistencia de estos elementos.

TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN

REQUERIMIENTOS DE AISLAMIENTO La efectividad del cable de guarda en las líneas de distribución depende en gran parte del aislamiento disponible entre la línea de tierra y los conductores de fase. Si la línea de tierra está en contacto con el poste en toda su altura, es difícil proveer un adecuado aislamiento. En un poste de madera, generalmente es necesario aislar la línea de tierra del poste en la vecindad de los aisladores de fase y las crucetas. Esto puede lograrse utilizando varillas de fibra de vidrio, o parales montados horizontalmente en el poste para sostener el cable de guarda 30 – 60 cm alejado del poste. El VFIC de la línea de tierra a la fase más cercana es el valor más limitante de varias trayectorias. Se debe tener precaución de aislar los cables tensores para obtener el necesario VFIC. Un VFIC en exceso de 250 – 300 kV es necesario para tener una aplicación efectiva de cable de guarda. Utilizando separadores para la línea de tierra, no es difícil lograr el nivel de aislamiento en las líneas de distribución.

Figura 7. Ángulo de apantallamiento del cable de guarda.

INGENIERÍA ELÉCTRICA - UNSA

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EFECTO DE LAS PUESTAS A TIERRA Y EL NIVEL DE AISLAMIENTO La efectividad del cable de guarda es altamente dependiente de las puestas a tierra. Para que el diseño de un cable de guarda sea efectivo, las resistencias a tierra deben ser menores a 10 Ohmios si el VFIC es menor de 200 kV. Si se presta atención al nivel de aislamiento y el VFIC es de 300 – 350 kV, una resistencia de puesta a tierra de 40 Ohmios generará un comportamiento similar. El cable de guarda deberá tener su conexión a tierra en cada poste para resultados efectivos. La figura 8 muestra el comportamiento ante descargas directas y el efecto de puestas a tierra con un ejemplo de una simulación en computador de un cable de guarda con VFIC de 175 kV y de 350 kV.

Figura 8. Efecto de la resistencia de puesta a tierra sobre el comportamiento del diseño de cable de guarda (descargas directas)


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Las líneas de distribución construidas debajo de estructuras de transmisión pueden ser muy susceptibles especialmente a flameos inversos. Estructuras de mayor altura y amplitud atraerán más descargas directas. Se debe tener cuidado de mantener altos niveles de aislamiento para evitar unas ratas de flameo innecesariamente altas.

MODELO ELECTRO-GEOMÉTRICO SIMPLIFICADO Como es sabido, el movimiento descendente del trazador de una descarga atmosférica, se asume continua inalterado a menos que se desarrollen condiciones de campo críticas que permitan la unión con un objeto vecino conectado a tierra. Este proceso de unión se denomina salto final. El modelo Electro Geométrico simplificado considera: solamente el canal del trazador descendente y que además es perpendicular al plano del suelo; que la descarga impactará en el elemento captor si su punto de neutralización futuro se encuentra dentro de un radio de atracción. El radio de atracción depende de diversos factores como ser: la carga del trazador, el tipo de estructura (conductor horizontal), la altura de la estructura, la geografía del terreno (llano o montañoso) y el campo eléctrico del suelo debido a la presencia de las nubes cargadas. Para determinar la magnitud del radio de atracción el modelo electro-geométrico utiliza las distancias de salto de la estructura y del terreno, rc y rg respectivamente. Una construcción sencilla de este método se muestra en la Figura 10 para una estructura de altura h, donde el radio de atracción se indica como d1.


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Las expresiones propuestas por el modelo electro-geométrico para evaluar las distancias de salto y el radio de atracción, son proporcionales al corriente pico de la descarga y se indican a continuación.

Dónde: h = altura del cable de guardia; I = corriente de descarga en kA; Arc, Arg y b son parámetros experimentales (ver tabla 1). Los parámetros experimentales utilizados para evaluar las distancias de salto se adoptan de la referencia [1] y se presentan en la Tabla 1.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN Tabla 1: Parámetros experimentales de las formulas 1 y 2. A

Parámetro

b r c

rmstrong and Whitehead [Cigré WG 3301, 1991] 6.7

IEEE T&D Committee 1992 [ IEEE Std. 1243, 1997] 10

r g

6

0.8

3.6 +1.7ln(43− h) para y<40m

0.65 Adoptado = 7.2

APLICACIÓN DEL MODELO A LA LÍNEA DE 500 KV Para evaluar el desempeño del blindaje de una línea de transmisión, se debe considerar la presencia de los conductores de potencia y del cable de guardia, tal que para un determinado valor de corriente de descarga, se pueden trazar arcos correspondientes a la distancia de salto r c desde los cables de guardia y los conductores de potencia, como se muestra en la Figura 11. Si un trazador descendente (correspondiente a una corriente de descarga I para la cual se dibujaron los arcos) toca los arcos en la zona indicada DC, la descarga subsecuente impactará sobre los conductores de potencia. De forma similar, si el trazador se encuentra con los arcos en la zona DG impactará los cables de guardia y si se encuentra con la horizontal indicada rg impactará en el suelo.


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Interesa entonces determinar el blindaje proporcionado para dos corrientes de descarga en particular, una denominada Imin, tal que corrientes de descarga superiores a esta producen una sobretensión capaz de contornear la cadena de aisladores (si la descarga impacta sobre los conductores de potencia) y otra es la intensidad denominada Imax, a partir de la cual las descargas impactan sobre los cables de guardia o el suelo para corrientes superiores. - Para determinar la intensidad crítica mínima se utiliza la siguiente expresión:


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Dónde: U0% es la tensión crítica de impulso de la cadena y ZC la impedancia característica

de los conductores. Estas se calculan mediante las expresiones 6 y 7 respectivamente.

Dónde: y = altura promedio de los conductores; R E = radio medio geométrico. La corriente máxima de descarga depende exclusivamente de la ubicación del cable de guardia con respecto a los conductores de potencia y de los parámetros experimentales adoptados para el cálculo de las distancias de salto. Así existirá una corriente tal que las tres distancias de salto se encuentren en un punto, de modo que la distancia DC de la Figura 11 resulte nula. Para calcular la corriente máxima se utiliza un método aproximado, este se explica en el Anexo 1. El estudio del blindaje proporcionado por los cables de guardia de la línea de 500 kV, se realiza primero adoptando los parámetros experimentales propuestos por Armstrong y Whitehead (Cigré WG 33-01, 1991) y luego los propuestos por IEEE T&D Committee 1992 (IEEE Std. 1243, 1997) (ver Tabla 1), solamente a los efectos de comparar los resultados

Resultados obtenidos con el Modelo Electro-geométrico para los parámetros de Armstrong y Whitehead


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN - Las distancias de salto para la corriente mínima rc y rg , según las ecuaciones 1 y 2 respectivamente resultan: 49,56 44,38 Haciendo un cálculo aproximado se determina que la corriente máxima es inferior a 11,3 kA, por lo que siendo la corriente mínima igual a 12,2 kA, la línea resulta completamente protegida frente a descargas que pueden provocar sobretensiones que superen el nivel de aislación y produzcan el contorneo de la cadena de aisladores. Si bien descargas de corriente inferior a la máxima pueden impactar los conductores de potencia, las sobretensiones producidas por estas no superan el nivel de aislación de la línea. Estos resultados se muestran en la Figura 12 a continuación.


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Figura 12: Modelo Electro-geométrico, Blindaje de la Línea de 500 kV según los parámetros de CIGRE. Se indican para tres corrientes de descarga, en línea llena cable de guardia e intermitente conductor.

Resultados obtenidos con el Modelo Electro-geométrico para los parámetros de IEEE - Las distancias de salto para la corriente mínima rc y rg, según las ecuaciones 1 y 2 respectivamente resultan: 50,83 36,59 De la misma forma que antes se determina que la corriente máxima es inferior a 17,3 kA, por lo tanto según los parámetros del IEEE existe una gama de corrientes de descarga comprendidas entre los 12,2 kA y los ya mencionados 17,3 kA, para las cuales existe riesgo de contorneo si las descargas impactan sobre los conductores de potencia. Estos resultados se muestran en la Figura 13. Para verificar la magnitud de las posibles sobretensiones, se realiza el cálculo para una corriente de 15 kA. Entonces la tensión que aparece entre la torre y el conductor de fase resulta:

Esta tensión resulta muy superior a la tensión crítica U50% de la cadena de aisladores de la línea.


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Figura 13: Modelo Electro-geométrico, Blindaje de la Línea de 500 kV según los parámetros de IEEE. Se indican para dos corrientes de descarga, en línea llena cable de guardia e intermitente conductor.

EVALUACIÓN DE LA PROBABILIDAD DE LA INCIDENCIA DE DESCARGA O RIESGO DE EXPOSICIÓN EN UNA INSTALACIÓN En la actualidad la probabilidad de incidencia de las descargas atmosféricas se registra por medio de dos métodos.

A). NIVEL ISOCERÁUNICO (NISO) el cual nos indica el número de días de tormenta por año que se puede dar en una determinada zona geográfica. Este método utiliza los servicios meteorológicos, los mismos que disponen de mapas isoceráunicos. Si bien estos mapas pueden ser una guía, que debe ser usados con la debida precaución, pues allí no indica el número de descargas de rayos que puede ocurrir en días de tormenta. En zonas templadas el nivel isoceráunico oscila del 1 al 100 y en zonas tropicales puede alcanzar los 260, por consiguiente cuanto más alto sea el mismo, mayor será la posibilidad de caída del rayo. La probabilidad máxima de un día de tormenta es: NISO / 365. (4.1)

B). DENSIDAD DE DESCARGAS A TIERRA (DGFD) Expresa el número de descargas a tierra que se espera por Km2, por año. Este método es el más confiable y adecuado para determinar la probabilidad de riesgo de la caída del rayo en una instalación pero tales cálculos deben ser vistos con cautela. Los valores típicos de GFD que se han obtenido para áreas geográficas con una actividad moderada poseen un valor de GFD entre 1 y 3 por km2, por año. En cambio para áreas con actividad baja de descargas el GFD es alrededor de 0.3 a 0.5 y entre 7 a 15 para zonas con alta actividad de descargas.


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TÉCNICAS DE ALTA TENSIÓN La tabla 2.2 contiene un resumen de los valores GFD aproximados alrededor del mundo en donde se relaciona con el nivel isoceráunico por año.

Si se desea un valor más exacto da la densidad de rayos se puede calcular mediante la ecuación (2.7)

Sobre la base de la tabla 2.2 y al área de captura de la estación, se puede estimar la probabilidad del número de descargas de rayos por año sobre un área:


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El periodo de regreso (R) es el inverso de la probabilidad y nos predice el número promedio de años entre el cual se recibe una sola descarga.

Por otra parte, para determinar los niveles de protección contra descargas atmosféricas directas se las presenta en la tabla 2.3

La columna 3 puede interpretarse como el porcentaje de descargas que inciden sobre la instalación y son interceptados por el sistema de apantallamiento. Vemos pues, que se establecen una correlación con el “periodo de riesgo de falla del sistema de protección” definido por Linck, generalmente la corriente que se asume en general para el diseño de apantallamiento está en el orden de los 10 a 20 KA.


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CONCLUSIONES Sobre los métodos denominados clásicos se puede concluir que, si bien se mostró que se puede lograr un apantallamiento óptimo de los conductores de fase, según cada criterio, para la configuración original de la línea ninguno proporciona una protección adecuada. En cuanto a la bondad de cada uno para conseguir un apantallamiento eficaz, la experiencia práctica indica que la utilización de estos métodos da buenos resultados para estructuras bajas, por lo que son desaconsejados en general para alturas de torre como la que se considera en este trabajo. También se pudo determinar que existen similitudes curiosas entre los métodos, como es el caso de Langrehr y Wagner Mac Cann. Con respecto a los resultados obtenidos con el modelo electro-geométrico, resulta evidente que el mismo método con parámetros experimentales diferentes, proporciona resultados muy dispares. Los parámetros recomendados por Cigré resultan menos severos que los recomendados por IEEE, al punto de que según el primero la línea resulta completamente protegida, mientras que con el segundo se verifica que es vulnerable frente a descargas directas.


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BIBLIOGRAFIA Y REFERENCIAS 

C.A. Nucci, “A Survey on cigré and ieee proc edures for the estimation of the lightning performance of overhead transmission and distribution lines”, presentado en X



SIPDA, Curitiba Brazil, 2009. ASINEL Asociación de Investigación de la Industria Eléctrica, “Guía para la coordinación de Aislamiento en líneas de Alta Tensión”, Mayo de 1979.



CIGRÉ WG 33-01 (convener A. Eriksson), “Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines”,Cigré

Brochure 63, October 1991. 

Soibelzon Hector, Apunte de clase “Calculo mecánico de Líneas de Transmisión de energía Eléctrica”, parte 3, 2008.

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https://prezi.com/a8sh_nqsay_x/apantallamiento-lineas-de-transmision/ http://www.academia.edu/9370182/Apantallamiento_contra_descargas_atmosf%C3 %A9ricas_en_subestaciones http://www.reocities.com/collegepark/gym/3281/transporte/cinco.html http://www.gammainsulators.com/pdf/boletines/tecnicos/boletin15.pdf http://tesis.ipn.mx/xmlui/bitstream/handle/123456789/7762/CALCTENSION.pdf?s equence=1


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ANEXO 1 Cálculo de la corriente máxima para el método electro-geométrico Como se explica en el desarrollo, existirá un valor de corriente de descarga para el cual las tres distancias de salto se encuentren en un punto, de modo que para valores mayores a esta, el arco correspondiente al radio de salto trazado desde los conductores de fase, resulte siempre por debajo de la intersección del arco trazado desde el cable de guardia y el radio de salto a tierra, esto se puede ver en la siguiente figura. En la figura están indicadas las distancias de salto r c y r g para la condición de corriente máxima, es decir cuando las tres se cortan en un punto. Como se puede ver en tal condición se deberá cumplir que:

Entonces para determinar la corriente máxima solo hay que reemplazar las expresiones de d1 y d2 en (a1) y despejar el valor de la corriente. En este trabajo se realiza un cálculo aproximado de forma iterativa.


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Cable de Guarda

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