C ÁLCULO DE DISTANCIAS PARA AISLAMIENTO EXTERNO DE LÍNEAS AÉREAS CONFORME A LA NOM-001-SEDE
FIDENCIO ONDARZA
NOV 2009
C ÁLCULO DE DISTANCIAS PARA AISLAMIENTO EXTERNO DE LÍNEAS AÉREAS CONFORME A LA NOM-001-SEDE SE REQUIERE CONSIDERAR B ÁSICAMENTE LO SIGUIENTE: Distancias Eléctricas de seguridad.
Para determinar las distancias el éctricas de seguridad, revisaremos los factores que intervienen en el dimensionado de las cadenas de aisladores que se usan para soportar los Conductores.
C ÁLCULO DE DISTANCIAS PARA AISLAMIENTO EXTERNO DE LÍNEAS AÉREAS CONFORME A LA NOM-001-SEDE SE REQUIERE CONSIDERAR B ÁSICAMENTE LO SIGUIENTE: Distancias Eléctricas de seguridad.
Para determinar las distancias el éctricas de seguridad, revisaremos los factores que intervienen en el dimensionado de las cadenas de aisladores que se usan para soportar los Conductores.
DISTANCIAS ELÉCTRICAS DE SEGURIDAD Para determinar las distancias eléctricas de seguridad, es necesario considerar cuando menos estos factores que nos ayudarán a dimensionar la longitud de las cadenas de aisladores y los brazos que se usan para soportar los conductores: Origen de las sobre-tensiones Niveles de aislamiento Condiciones ambientales
Sobre-tensiones en sistemas con voltajes d operación menores a 230 kV
De la dispositiva anterior nos damos cuenta que el origen de la sobre-tensión que mas impacto tiene en el diseño del aislamiento externo en lí neas neas hasta 230 kV e el producido por las descargas atmosf éricas. Las descargas atmosf éricas se presentan en una gran variedad de formas (frente de onda) y magnitud de descarga, de su observación se ha determinado lo siguiente para simular una descarga atmosf érica (rayo)
Simulación normalizada de descargas atmosf éricas
El frente de onda normalizado de una descarga atmosf érica se simula con una onda de 1.2/50 microsegundos. La probabilidad de que la corriente de descarga exceda los siguientes valores es: 10 kA 80% 20 kA 50% 50 kA 08%
Descargas atmosf éricas y Niveles de Aislamiento
Hay dos términos que es necesario definir para relacionar el efecto de las descargas atmosf éricas sobre los aislamientos: Nivel Básico de Aislamiento al Impulso (NBAI) o en idioma inglés BIL Tensión Crí tica tica de Flameo (TCF)
Trayectoria de descarga de rayo
Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el conductor y el soporte.
Términos relacionados con el Nive de Aislamiento NI VEL B Á SICO DE AISLAM IENTO AL IM PULSO (NBAI) (BIL) Valor de cresta de una tensión de Impulso normalizada que resiste un aislamiento externo, el cual se determina bajo prueba con una probabilidad de falla del 10%, corresponde al valor de cresta de una onda normalizada de tensión de impulso de 1.2/50 µs.
NBAI = 0.961 TCF
(1)
Términos relacionados con el Nive de Aislamiento TENSIÓN CR ÍTICA DE FLAMEO (TCF).
Concepto estadí stico stico aplicado a aislamientos auto recuperables (se refiere a los aislamientos externos que están rodeados por aire, como en las lí neas neas aéreas) que expresa el valor de la tensión de impulso de una onda normalizada de 1.2/50 ms, que produce para una clase de tensión dada una probabilidad de 50% de flameos bajo condiciones estándar.
DISTANCIAS EN AIRE PARA TENSIONES NOMINALES CON VALORES HASTA 230 kV Se calculan para el efecto de una onda de tensión de impulso por rayo (1.2/50 µs) en condiciones estándar (25°C y al nivel del mar), y están dadas por la siguiente expresión: TCF = K3 d (kV) Donde:
(2)
d = distancia entre electrodos en metros K3 = Factor de electrodo.
El factor K3 se determina en forma experimental para las diversa s configuraciones posibles, y tiene un valor de 550 para los casos de Conductor Estructura, Conductor- Ventana, Ventana, Conductor-Suelo, Conductor-Conductor, y tien tie
Trayectoria de descarga de rayo
Siguiendo la distancia en aire mas corta entre el conductor y el soporte (distancia entre electrodos).
Tensiones normalizadas para sistemas eléctricos en México
Las tensiones de los sistemas eléctricos en México están normalizados por la Norma NMX-J-098. En la tabla siguiente se muestran los valores nominales de tensión de la tabla 710-24 de NOM-001-SEDE. También los correspondientes Niveles Básicos de Aislamiento al Impulso, los valores para 400 kV los indicamos conforme a Normas de CFE, y las distancias dieléctricas son las calculadas. Mas adelante veremos como se calculan estas distancia
TENSIÓN ELÉCTRICA NOMINAL kV E D E S 1 0 0 M O N e d 4 2 0 1 7 a l b a t
85 115 138 161 230 *400
NIVEL BÁSICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO kV 350 450 450 550 550 650 650 750 750 900 1050 950 (NBAIM) 1050 (NBAIM)
++ DISTANCIAS DIELÉCTRICAS FASE A TIERRA mm 662 851 1041 1041 1230 1230 1419 1419 1703 1987 2900 3400
DIMENSIONAMIENTO DIELÉCTRICO.
Nos referimos a la determinación de las distancias en aire de NO FLAMEO entre partes vivas y tierra, o entre partes vivas entre sí , así como a las mí nimas nimas de seguridad. Los aislamientos externos se ven afectados por las condiciones atmosf éricas y ambientales tales como:
Presión Barométrica Temperatura Humedad Contaminación.
CORRECCIÓN DE DISTANCIAS DIELÉCTRICAS EN AIRE POR EFECTOS DE LA PRESIÓN BAROMÉTRICA, TEMPERATURA Y HUMEDAD. Cuando no se tienen las condiciones estándar (25 °C y al nivel del mar) se aplica la siguiente expresión para corregir valores:
NBAI CORREGIDO
* NBAI ESTANDAR
K H
(3)
0.392 * p 273 T
donde: NBAI = Nivel Básico de Aislamiento al Impulso. δ = Factor de corrección por presión barométrica y temperatu p = Presión barométrica en mm de Hg. T = temperatura ambiente en °C KH = Factor de corrección por humedad = 1 para 100% de H
EFECTO DE LA CONTAMINACIÓN EN LOS AISLAMIENTOS EXTERNOS Aunque la contaminación no degrada el Nivel de Aislamiento (NBAI), si produce fallas a la frecuencia del sistema por contorneo, dando por resultado que se requiera aumentar la distancia de fuga a tierra para mitigar el efecto y tener intervalos de mantenimiento (limpieza de aislamiento) razonables. De acuerdo a los niveles de contaminación existentes en el sitio, se ha adoptado la recomendación de IEC para la selección de la distancia de fuga a tierra por contaminaci ón.
DISTANCIA DE FUGA EN mm/kV Fase a Fase
NIVEL D CONTAM ACIÓN
16
BAJO
20
MEDIO
25
ALTO
31
MUY ALT
Ejemplo para dimensionar una cadena de aisladores
Consideremos los siguientes datos: Altura sobre el nivel de mar: hasta 3000 msnm Tensión nominal: 220 kV Nivel Básico de Aislamiento al Impulso: 750 kV Temperatura promedio: 25°C Nivel de contaminación: Alto (25 mm /kV) K3 = 550, Configuración Cable-Estructura
Determinar la longitud mí nima nima de la cadena de aisladores
En este caso será necesario hacer correcciones por la altura sobre el nivel del mar y revisar por contaminaci ón, ya que deseamos que se conserve el NBAI a los 3000 msnm**, po lo que despejaremos de la ecuación (3), para los valores la temperatura y humedad relativa consideraremos los correspondientes a condiciones estándar. Usaremos las ecuaciones (1), (2), (3) y (4) antes comentadas y la recomendación IEC de usar 25 mm /kV en distancia de fuga, para un nivel de contaminación Alto:
** Deseamos conservar el NBAI de la lí nea nea a 3000 msmn porque los aislamientos internos, como en los transformadores en aceite, no se ven afectados por la altura sobre el nivel del mar, y no deseamos que disminuya la confiabilidad de la lí nea nea (siendo mas pequeño el NBAI aumenta el número de salidas al a por descargas atmosf éricas). Hay que tener cuidado, porque si hacemos el NBAI d la lí nea nea mas alto, esto significa que llegarán a la subestaciones ondas con sobre-tensiones mayores.
Valores de p a diferentes alturas sobre el nivel del mar: p = 760 mm Hg a nivel de mar p = 679 mm Hg a 1,000 msnm p = 605 mm Hg a 2,000 msnm p = 526 mm Hg a 3,000 msnm T = 25ºC de los datos NBAI CORREGIDO NBAI ESTANDAR
0.392 * p 273 T
0.392 * 526 273 25
* NBAI ESTANDAR
(4)
0.692
(3)
K H
K H * NBAI CORREGIDO
1 * 750 0.692
1084 _ kV
NBAI = 0.961 TCF TCF
NBAI 0.961
1084 0.961
(1), despejando TCF
1128 _ kV
TCF = K3 d (kV) (2), despejando d d
1128 550
2.05 _ metros
Ésta es la distancia Min. de arqu
Un aislador de suspensión tí pico pico de normas IEC, tiene una longitud de 146 mm, con discos de 254 mm de diámetro.
La cantidad de aisladores por distancia eléctrica (2.05 m) la determinamos de la siguiente forma sabiendo que la distancia de cada aislador es 146 mm: # de _ aisladores
2050 146
14 _ aisladores
De lo anterior, por distancia el éctrica requerimos cuando menos 14 aisladores
El aislador tipo Norm tiene una distancia d fuga de 292 mm
Revisaremos ahora por contaminaci ón, conforme a requerido para un nivel de contaminación Alto (25 mm /kV) y un voltaje nominal de 220 kV, tenemos que se requiere: Distancia de fuga requerida = 25*220 = 5,500 mm La cantidad de aisladores normales, los que tienen una distancia de fuga de 292 mm, que se requieren por contaminación se obtiene con: # de _ aisladores _ por _ Conta min acion
5,500 292
19 _ aislador
Debido a que no deseamos aumentar el número de aisladores de 14 a 19 porque eso aumentar í a la distancia de arqueo y por consiguiente el NBAI, lo que causarí a la posibilidad de que llegaran a la subestación ondas de sobre-tensión de mayor volta a través de las lí neas. neas. Usando aisladores tipo Niebla que como en el mode que se muestra en la figura siguiente tiene una distancia de fuga de 432 mm, obtenemos que requerimos cuando menos 13 aisladores tipo Niebla # de _ aisladores _ por _ Conta min acion
5,500 432
13 _ aislador
El aislador tipo Niebla tiene una distancia d fuga de 432 mm
Aquí debemos tomar una decisión, si colocamos 19 aisladores, entonces el NBAI va a aumentar, si colocamos 14 aisladores o menos entonces la distancia de fuga requerida por contaminaci ón disminuye. Otra opción es sustituir algunos aisladores normales por otros tipo niebla que tienen una distancia de fu mayor (432 mm), revisando los valores obtenidos encontramos que podemos cumplir con las dos condiciones (NBAI y Distancia de Fuga) colocando 9 aislador tipo niebla y 5 aisladores tipo normal, ya qu ambos tipos de aisladores tienen la misma longitud pero diferente distancia de fuga.
La solución para el caso planteado Para este caso, la solución tí pica pica es usar 14 aisladores tipo Niebla + uno normal en el extremo para facilitar los trabajos en caliente. (los tipo Niebla por los faldones que son mas largos, ocultan el herraje de conexión dificultando usar las herramientas)
