UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA ELECTRÓNICA
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OBJETIVOS La coordinación de aislamiento tiene por objeto comprobar si las máquinas están en condiciones de soportar, sin inconvenientes, su ELÉCTRICA Y en su placa de tensión asignada,INGENIERÍA es decir, la tensión especificada ELECTRÓNICA. características. Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la red para poder comprender ALTA su nivelTENSIÓN de aislamiento. Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario para un determinado equipo o circuito. Escoger el nivel ING de soporte las sobretensiones, de los diversos MsC. aPERCY CUEVA RIOS. componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado para dicho equipo o circuito. Conocer el nivel de aislamiento de los equipos o circuitos para poderlos proteger de cualquier fenómeno ya sea transitorio o permanente.
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OBJETIVOS
La coordinación de aislamiento tiene por objeto comprobar si las máquinas están en condiciones de soportar, sin inconvenientes, su tensión asignada, es decir, la tensión especificada en su placa de características. Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la red para poder comprender su nivel de aislamiento. Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario para un determinado equipo o circuito. Escoger el nivel de soporte a las sobretensiones, de los diversos componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado para dicho equipo o circuito. Conocer el nivel de aislamiento de los equipos o circuitos para poderlos proteger de cualquier fenómeno ya sea transitorio o permanente.
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INTRODUCCIÓN La coordinación del aislamiento es una disciplina que permite realizar el mejor compromiso técnico- económico en la protección de las personas y del material contra las sobretensiones que pueden aparecer en las instalaciones eléctricas, sobretensiones que pueden tener por origen la red o el rayo. Tiene un especial interés en la consecución de una mayor disponibilidad de la energía eléctrica, siendo tanto más importante cuanto más elevada es la tensión de la red. Para dominar la coordinación del aislamiento es necesario: Conocer el nivel de sobretensiones que pueden existir en la red. Utilizar las mejores protecciones cuando sea necesario. Escoger el nivel de soporte a las sobretensiones, de los diversos componentes de la red, entre las tensiones de aislamiento que permiten satisfacer las exigencias que se han determinado. Este trabajo tiene por objeto permitir conocer mejor las perturbaciones de la tensión y los medios para limitarlas, así como las disposiciones normativas para permitir una distribución segura y optimizada de la energía eléctrica, gracias a la coordinación del aislamiento. Trata esencialmente de las redes de MT y AT. La limitación de las consecuencias de un defecto en las redes de distribución y en las máquinas (costos de la reposición del servicio y pérdidas en la explotación) se obtiene por la utilización de dispositivos de vigilancia, denominados « coordinación de aislamiento ».
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1.-Sobretensiones Se definen como tales las perturbaciones que se superponen a la tensión nominal de un circuito. Pueden aparecer: Entre fases o entre circuitos distintos, y son llamadas de modo diferencial. Entre los conductores activos y una masa, o la tierra, y son llamados de modo común. Su carácter variado y aleatorio las hace difícil de caracterizar y sólo autoriza una aproximación estadística en lo que concierne a su duración, sus amplitudes y sus efectos. En realidad los riesgos se sitúan esencialmente al nivel de los disfuncionamientos, de la destrucción del material y, como consecuencia en la no continuidad del servicio. Sus efectos pueden presentarse en las instalaciones de los usuarios.
Las perturbaciones pueden conducir a: Interrupciones cortas (reenganche automático en las instalaciones de distribución pública MT por líneas aéreas). Interrupciones largas (intervención para el cambio de los aislantes destruidos; ver reemplazo del material). Los aparatos de protección permiten limitar los riesgos. Su puesta en
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servicio necesita la elaboración reflexiva de los niveles coherentes de aislamiento y protección. Para ello, es indispensable una comprensión previa de los diferentes tipos de sobretensión.
1.1.-Sobretensiones a frecuencia industrial Bajo esta denominación de frecuencia industrial se reagrupan las sobretensiones de frecuencias inferiores a 500 Hz. Se recuerda que las frecuencias industriales más frecuentes son: 50, 60 y 400 Hz. Sobretensiones provocadas por un defecto de aislamiento Una sobretensión debida a un defecto de aislamiento se manifiesta en una red trifásica, cuando el neutro está aislado, o es impedante. En efecto, después de un defecto de aislamiento entre una fase y la masa o la tierra (daño en un cable subterráneo, puesta a tierra de un tipo de coeficiente duración pendiente amortiguamiento.
1.2.-Sobretensiones por ferrorresonancia La sobretensión es entonces el resultado de una resonancia particular que se produce cuando un circuito comporta a la vez un condensador (voluntario o parásito) y una autoinducción con circuito magnético saturable (por ejemplo, un transformador). Esta resonancia puede aparecer, sobre todo, cuando una maniobra (apertura o cierre de un circuito) .
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1.3.-Sobretensiones de maniobra La modificación brusca de la estructura de una red eléctrica provoca la manifestación de fenómenos transitorios. Éstos se traducen, a menudo, por la aparición de una onda de sobretensión o de un tren de ondas de alta frecuencia de tipo aperiódico, u oscilatorio, de amortiguamiento rápido. * Sobretensiones de conmutación en carga normal Una carga «normal» es esencial- mente resistiva, es decir, que su factor de potencia es superior a 0,7. En este caso el corte o el establecimiento de las corrientes de carga no plantea un problema mayor.
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El coeficiente de sobretensión (relación de las amplitudes de la tensión transitoria y de la tensión de servicio) varía entre 1,2 y 1,5. Sobretensiones provocadas por el establecimiento o la interrupción de pequeñas corrientes inductivas. Este tipo de sobretensión tiene tres fenómenos generadores: la supresión brusca de la corriente, el recebado y el precebado. De este hecho, el arco se hace inestable y su tensión puede presentar variaciones relativas importantes, en tanto que su valor absoluto se mantiene muy por debajo de la tensión de la red (caso del SF 6 o del vacío). Estas variaciones de fuerza electromotriz pueden generar en las capacidades vecinas, parásitas.
1.4.-Sobretensiones atmosféricas Las tormentas son un fenómeno natural, conocido por todos, espectacular y peligroso. En el mundo se producen unas 1000 tormentas cada día. En Francia ocasionan cada año un 10% de los incendios, la muerte de 40 personas y de 20 000 animales, y 50 000 cortes de corriente o de teléfonos. Las redes aéreas son las más afectadas por las sobretensiones y sobreintensidades de origen atmosférico.
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Una particularidad de los rayos es su polarización: generalmente son negativos (nubes negativas y suelo positivo). Aproximadamente un 10% son de polaridad inversa y estos rayos son los más violentos. A observar que el frente de onda de la tensión del rayo, que las normas aplican, es de 1,2 µs para la tensión y 8 µs para la corriente. Normalmente se distingue entre: La caída «directa» del rayo sobre una línea La caída «indirecta» del rayo, si éste cae, en las proximidades de una línea, sobre una torre metálica, o lo que viene a ser lo mismo, sobre el cable de guarda (puesto a tierra, este cable enlaza los vértices de la torres, y está destinado a proteger los conductores activos de los rayos directos).
* El rayo directo Se manifiesta por la inyección en la línea de una onda de corriente de varias decenas de kA. Esta onda de corriente que puede fundir los
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conductores, al propagarse a una y otra parte del punto del impacto provoca un aumento de la tensión U dada por la fórmula 2 iU = Zc . siendo i la corriente inyectada y Zc la impedancia homopolar características de la línea (300 a 1 000 ohms).
* El rayo indirecto Cuando el rayo cae sobre una torre, o simplemente en las proximidades de una línea, se generan en la red sobretensiones importantes. Este segundo caso, más frecuente que el rayo directo, puede manifestarse también peligroso.
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1.5.-Sobretensiones electrostáticas Hay otros tipos de descargas atmosféricas. En efecto, si la mayoría de sobretensiones inducidas son de origen electromagnético, algunas son de origen electrostático e interesan particularmente a las redes aisladas de tierra. Por ejemplo, durante los minutos que preceden a la caída del rayo, cuando una nube cargada a un cierto potencial se encuentra encima de una línea, ésta toma una carga de sentido contrario. Antes de que se produzca la caída del rayo que ha de permitir la descarga de la nube, se tiene, pues, entre la línea y el suelo un campo eléctrico E. Después de la caída del rayo entre la nube y la tierra, al desaparecer el campo eléctrico, las capacidades se descargan.
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2.- La coordinación del aislamiento 2.1.-REFERENCIAS Las primeras redes eléctricas (Grenoble-Jarrie 1 883) eran tecnológicamente muy rudimentarias y a merced de las condiciones atmosféricas, como el viento y la lluvia. El viento, haciendo variar las distancias entre los conductores, era el origen de cebado de arcos. La lluvia favorecía las corrientes de fuga a tierra. Estos problemas han conducido a: Utilizar aisladores. Determinar las distancias de aislamiento. Unir las masas metálicas de los aparatos a tierra.
2.2.-Definición La coordinación del aislamiento tiene por objeto determinar las
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características de aislamiento necesarias y suficientes de los diversos componentes de las redes con vistas a obtener una rigidez homogénea a las tensiones normales, así como a las sobretensiones de origen diverso. Su finalidad principal es la de permitir una distribución segura y optimizada de la energía eléctrica. Para optimizar es necesario comprender y buscar la mejor relación económica entre los diferentes parámetros que dependen de esta coordinación: costo del aislamiento, costo de las protecciones, costo de las averías (pérdida de la explotación y coste de la reparación), teniendo en cuenta sus probabilidades. Emanciparse de los efectos nefastos de las sobretensiones supone un primer paso. Para ello es necesario atacar sus fenómenos generadores, labor que no siempre es simple. En efecto, si con la ayuda de técnicas apropiadas, las sobretensiones de maniobra de la aparamenta pueden ser limitadas, en cambio, es imposible actuar sobre las del rayo. Es pues, necesario localizar el punto de más débil tensión soportada por el cual circulará la corriente engendrada por la sobretensión, y dotar a todos los otros elementos de la red de un nivel de rigidez dieléctrica superior. Antes de abordar las diferentes soluciones técnicas (métodos y materiales) es importante recordar lo que es una distancia de aislamiento y una tensión soportada. Distancia de aislamiento y tensión soportada Distancia de aislamiento
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Estas dos distancias están directamente ligadas al afán de protección contra las sobretensiones, pero sus tensiones soportadas no son idénticas.
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* Tensión soportada Difiere, en particular, según el tipo de sobretensión aplicada (nivel de tensión, frente de onda, frecuencia, duración). Además, las líneas de fuga pueden estar sujetas a fenómenos de envejecimiento, propios del material aislante considerado, que implica una degradación de sus características. Los factores influyentes son principalmente: Las condiciones ambientales (humedad, polución, radiaciones UV), Las tensiones eléctricas permanentes (valor local del campo eléctrico). La tensión soportada de distancia en el gas es función igualmente de la presión: Variación de la presión del aire con la altura, Variación de la presión de llenado de un aparato.
Tensión soportada a frecuencia industrial En régimen normal, la tensión de la red puede presentar sobretensiones a frecuencia industrial de débil duración (fracción de segundo a algunas horas, según el modo de explotación y de protección de la red). La tensión soportada de ensayo a frecuencia industrial, recomendada en los ensayos de rigidez dieléctrica habituales, de un minuto, es generalmente suficiente.
* Tensión soportada a las sobretensiones de maniobra Las distancias sometidas a tensiones de choque de maniobra reúnen cuatro propiedades fundamentales siguientes: La no linealidad, ya mencionada, de la relación distancia/tiempo, La dispersión, que hace que esta rigidez deba ser expresada en términos estadísticos. La asimetría (la rigidez puede ser distinta según que la onda sea de polaridad positiva o negativa),
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El paso por un mínimo de la curva de tensión soportada en función de la duración del frente. Cuando la distancia entre los electrodos crece, este mínimo evoluciona según las duraciones del frente más y más elevadas. Se sitúa, como media, alrededor de los 250 µs, lo que explica la elección del frente de la onda de choque normalizada
* Tensión soportada a las sobretensiones atmosféricas En la caída del rayo, la tensión soportada se caracteriza por una mucho mayor linealidad que en los demás tipos de solicitaciones.
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Principio de la coordinación del aislamiento Estudiar la coordinación del aislamiento de una instalación eléctrica es, pues, definir, a partir de los niveles de tensiones y sobretensiones susceptibles de presentarse en esta instalación, uno o más niveles de protección contra las sobretensiones. Los materiales de la instalación y los dispositivos de protección son entonces elegidos en consecuencia. El nivel de protección se deduce de las condiciones: de la instalación, del ambiente, y de la utilización del material. El estudio de estas «condiciones» permite determinar el nivel de sobretensión que podrá solicitar el material durante su utilización. La elección del nivel de aislamiento adoptado permitirá asegurar que, frente a la frecuencia industrial y frente a los choques de maniobra, al menos, el nivel de aislamiento no será nunca sobrepasado. Frente a la caída del rayo deberá realizarse generalmente un compromiso entre el nivel de protección de los pararrayos eventuales y el riesgo de fallos admisible. Para dominar bien los niveles de protección aportados por los limitadores de sobretensión, conviene conocer bien sus características y su comportamiento.
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A) Los explosores Utilizados en MT y AT se colocan en los puntos de la red particularmente expuestos y a la entrada de los Centros de Transformación MT/BT. Su papel es el de constituir un punto débil en el aislamiento de la red, con el fin de que un eventual cebado de arco se produzca sistemáticamente en él. El primero y más antiguo de los aparatos de protección es el explosor de varillas. Estaba constituido por dos varillas enfrentadas frente a frente, llamadas electrodos, una unida al conductor a proteger y la otra a tierra.
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B).-Los pararrayos
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Su ventaja es que no presentan corriente de fuga y evitan que la red quede sometida a un cortocircuito fase-tierra y sin tensión después del cebado. Se han diseñado diferentes modelos: pararrayos a chorro de agua, pararrayos a gas. En las líneas que siguen sólo presentamos los tipos más usuales. Estos son utilizados en las redes AT y MT. * Pararrayos a resistencia variable y explosores Este tipo de pararrayos asocia en serie unos explosores y unas resistencias no lineales (varistancias) capaces de limitar la corriente después del paso de la onda de choque. Después del paso de la onda de corriente de descarga, el pararrayo queda sólo sometido a la tensión de la red. Ésta mantiene un arco en el explosor, pero la corriente correspondiente, llamada «corriente de fuga» pasa por las resistencias cuyo valor ahora es elevado. Esto hace que la corriente de fuga sea lo bastante reducida para no dañar a los explosores y pueda ser cortada al primer paso por cero de la corriente (extinción natural del arco).
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C).-Los pararrayos de óxido de Zinc (ZnO) Están constituidos únicamente por varistancias y reemplazan, cada vez más, a los pararrayos a resistencias variables y explosores. La ausencia del explosor hace que el pararrayos a ZnO sea continuamente conductor, pero, bajo la tensión nominal de la red protegida, esta corriente de fuga a tierra es muy débil (inferior a 10 mA). Su principio de funcionamiento es muy simple y se apoya en la característica fuertemente no lineal de las varistancias de ZnO.
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SEGÚN LAS NORMAS:
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Coordinación aplicada al diseño de instalaciones eléctricas Este estudio es económicamente tanto más importante cuanto más elevada es la tensión de servicio. Tres criterios justifican esta afirmación: El aumento del número de clientes o de la potencia distribuida. El aumento del coste de los fallos (costo del material a reemplazar). La parte, relativamente más débil del estudio de coordinación en el costo total de la instalación. * Consecuencias de un cebado de arco Un fallo dieléctrico (perforación o cebado de un arco) puede provocar:
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El funcionamiento de las protecciones en el mejor de los casos. La destrucción de materiales en el peor de los casos. Una interrupción de servicio por fallo. En AT el corte de la alimentación que entonces se tiene puede afectar a un pueblo entero, o una región o a un centro siderúrgico; ello ocasiona: un riesgo de desestabilización de la red, una pérdida de facturación de energía para el distribuidor de energía, una pérdida de producción para los abonados industriales, un peligro para las personas (por ejemplo en los hospitales) y para los datos informáticos. Para evitar estos accidentes deben efectuarse unos estudios en toda nueva instalación. Éstos permitirán realizaciones coherentes y optimizadas frente a los riesgos. Una solución es aumentar el nivel de aislamiento de las instalaciones incrementando las distancias de aislamiento. Pero ello se traduce en un importante aumento de los costes: doblar las distancias motiva multiplicar por ocho los volúmenes y los costes. El sobredimensionamiento es, pues, inadmisible en AT. De aquí la importancia de la optimización del equipamiento AT. Los cortes eléctricos que de ello resultan pueden, también, ser de consecuencias graves para los distribuidores de energía (pérdidas de facturación), para los abonados industriales (pérdidas de producción) y para las personas (seguridad). En BT En la práctica, cuando más baja es la tensión de servicio más limitadas son las consecuencias de una falta en el caso de distribución de energía. Pero el desarrollo de los sistemas y equipamientos electrónicos está en el origen de numerosos incidentes consecutivos a las sobretensiones. La coordinación de las «tensiones soportadas» no es pues despreciable, aún en BT … y el empleo de pararrayos deberá generalizarse. Estos son hoy en día muy aconsejables para los abonados BT alimentados por una línea aérea. Reducción de los riesgos y de los niveles de sobretensión Frente a las diferentes sobretensiones.
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Sobretensión debida a la ferrorresonancia El único medio de evitarla totalmente es que 1/C.sea superior a la pendiente en el origen de L..i. Sin embargo, otras soluciones son a considerar y en particular en MT donde: Puede producirse una discordancia entre las 3 fases en el caso de protecciones por interruptor de mando fase por fase; es necesario buscar la mayor simultaneidad posible en la conexión de las 3 fases de la red (aparato omnipolar). La conexión de un transformador en vacío puede ser el fenómeno transitorio que provoque la ferrorresonancia; para evitarlo es necesario reducir las capacidades aproximando, por ejemplo, la aparamenta de puesta en tensión del transformador. La conexión de una carga previamente a la puesta en tensión es beneficiosa. Ella interviene, en efecto, como una resistencia de amortiguación, pudiendo impedir la puesta en resonancia. Poner el neutro a tierra es también una solución frente a las resonancias fase/tierra.
Protección de las máquinas y de las redes industriales de AT * Defectos principales que se pueden presentar en las redes y las máquinas Antes de estudiar las causas, las consecuencias y los medios de protección relativos a los principales defectos, juzgamos de interés recordar que éstos son muy variados y pueden determinar el corte de la alimentación eléctrica o el disparo de una alarma. A continuación se resume en la tabla :
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Relés de protección Definición Los relés de protección son dispositivos, más o menos complejos, que deciden una acción, generalmente la apertura de un interruptor automático, si aparece un defecto en la red, en la alimentación o en la máquina controlada. Estos dispositivos se denominan «relés», porque son unos intermediarios entre una magnitud física controlada y un disparador. En AT son del tipo indirecto, por cuanto toman la información a través de captadores (TC, TT, toroides). La utilización de relés directos en AT va disminuyendo porque son rudimentarios, imprecisos y de difícil instalación debido a las distancias de aislamiento que hay que respetar. Ante un defecto, los relés dan la orden de apertura a los interruptores automáticos.
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Un relé puede ser: de alimentación propia (o autónomo): toma la energía de la red a través de captadores. de alimentación auxiliar: toma la energía necesaria para su funcionamiento de una fuente auxiliar de tensión (continua o alterna). Relés de corriente máxima para la detección de cortocircuitos entre fases. Un relé :
Un relé tiene: un ajuste de intensidad. una temporización, en la que el instante inicial corresponde al de rebase del umbral y el final a la orden de apertura del interruptor automático.
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MODO DE CONTROLAR DIGITALMENTE A continuación se muestra un grafico:
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ESQUEMA DE CÓMO PROTEGER UN CIRCUITO
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INTERVENCIÓN DE LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
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El aislamiento del equipo eléctrico de Media Tensión * Resistencia de aislamiento Aislante eléctrico es toda sustancia cuya conductividad es tan pequeña, que el paso de la corriente a través de ella es prácticamente despreciable. Esta pequeña corriente se llama «de fuga». Un dieléctrico es «un medio que tiene la propiedad de que la energía requerida para establecer en él un campo eléctrico (solicitación
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dieléctrica) es recuperable en su totalidad o en parte como energía eléctrica». El establecimiento del campo o la aplicación de la tensión van acompañados por corrientes de desplazamiento o de carga. El vacío es el único dieléctrico perfecto conocido; los materiales aislantes son dieléctricos imperfectos y cuando están sometidos a una tensión presentan: corrientes de desplazamiento, absorción de corriente, paso de corriente de conducción. Es prácticamente imposible fabricar máquinas con aislantes absolutos. Todos son parcialmente conductores. Si se establece una diferencia de potencial constante entre dos electrodos que atraviesan el aislante, o situados sobre cada una de sus caras, se establecen corrientes, (en general muy débiles), que atraviesan y contornean los aislantes, designándose por resistencia total del aislamiento al cociente de la tensión aplicada por la corriente total. Expresándose habitualmente en megaohmios.
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* Rigidez dieléctrica Se define por el máximo gradiente de potencial que puede soportar un aislante sin que se produzca la descarga disruptiva (perforación del dieléctrico). Si aumentamos progresivamente la tensión alterna aplicada entre electrodos que atraviesa un aislante, o aplicada entre sus caras, observaremos en principio fenómenos luminosos (efluvios, penachos), seguidamente y de repente, una ruptura, es decir, una descarga disruptiva de un electrodo a otro, a través o a lo largo del aislante.
* Factor de impulso La forma característica de las sobretensiones de origen atmosférico (ondas unidireccionales de frente muy escarpado y cola relativamente larga) ha conducido a considerar una «rigidez dieléctrica de choque o de impulso» que, según la naturaleza del aislante y según la forma de la onda, es netamente más elevada que la rigidez dieléctrica de un minuto. Se ha definido un factor de impulso que es el cociente entre la rigidez dieléctrica de choque (valor de cresta) por la rigidez dieléctrica a frecuencia industrial (ensayo de un minuto; valor de cresta). Recientemente se ha definido también un valor de correlación, que es la relación, no entre las tensiones de ruptura, sino entre las tensiones mantenidas.
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* Constante dieléctrica La constante dieléctrica de un aislante es la relación de la capacidad del condensador construido con este aislante como dieléctrico, a la que tendría este mismo condensador siendo el dieléctrico reemplazado por el vacío.
* Pérdidas dieléctricas Un aislante sometido a un campo eléctrico alterno da lugar a pérdidas. Estas pérdidas dependen de la naturaleza del aislante, del campo específico, de la temperatura y de la frecuencia.
Medidas de aislamiento En un transformador de potencia, la medida de la resistencia de aislamiento tiene como fin dar una útil información sobre su estado, con objeto de poner al descubierto posibles defectos de aislamiento y determinar por medio de mediciones periódicas la probable degeneración del mismo.
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En general, la resistencia de aislamiento: Decrece con: El aumento de tamaño de la máquina, La mayor longitud del cable. El aumento de temperatura (la resistencia de aislamiento con el transformador frío es mayor que en caliente y asimismo mayor que cuando los bobinados están sumergidos en aceite). Aumenta con: La mayor tensión de la máquina como consecuencia del mayor grosor del material aislante. Los valores obtenidos son siempre relativos, debido a que se ven influenciados por: – la humedad, – los deterioros en los aislantes, -- la suciedad. Medida de la resistencia de aislamiento en transformadores – un aumento apreciable de la resistencia de aislamiento durante el tiempo de aplicación de la tensión denota un buen estado de los aislantes de devanados en caso de transformadores. – un aislamiento pobre denota humedad, suciedad y/o deterioros. Es fundamental indicar por tanto, las condiciones de medición, tanto del transformador (si está totalmente desconectado o incluye parte del embarrado y cables) así como la de su temperatura, la del ambiente y humedad relativa. a).- Método de un minuto Consiste en aplicar un voltaje de prueba al aislamiento manteniéndolo constante durante un minuto. Se toma la resistencia de aislamiento al final de este periodo. Si la resistencia disminuye durante la aplicación de la tensión, el aislamiento denota posible humedad o contaminación superficial. Si por el contrario la resistencia de aislamiento aumenta constantemente durante este periodo, denota que el aislamiento está seco y sus superficies están limpias, sin contaminación.
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b).- Método tiempo-resistencia Cuando se aplica un voltaje de prueba a un aislamiento y la intensidad disminuye durante la comprobación, aumenta la resistencia aparente del aislamiento, este incremento puede ser bastante rápido al principio, pero pueden pasar varios minutos antes de que llegue a un valor constante, particularmente sí el aislamiento está seco. Por otra parte, si el devanado está húmedo o sucio, la corriente de conducción será alta y la corriente de absorción será comparativamente baja (véase «curva típica tiempo-resistencia»). Es evidente que la curva tiempo-resistencia puede servir como indicación del estado del aislamiento. No será necesario trazar toda la curva, sino anotar la lectura un minuto después de la aplicación de la tensión de prueba y a los diez minutos posteriores. A veces, a este método, se le ha dado el nombre de «prueba de absorción dieléctrica» por estar basado en el efecto de la absorción de un buen aislamiento comparado con otro contaminado por suciedad, grasa, etc. tomando el nombre de índice de absorción dieléctrica, la relación de dos lecturas tiempo-resistencia. c).- Método de las dos tensiones Es la aplicación de un voltaje de prueba durante un tiempo conocido, por ejemplo, un minuto, midiéndose la resistencia de aislamiento aparente una vez finalizado este tiempo. Se eleva posteriormente el voltaje hasta un nivel determinado, midiéndose la resistencia de aislamiento al final del mismo.
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** Ensayos dieléctricos normalizados En la práctica industrial sobre transformadores, su aislamiento se ha previsto desde antiguo, para poder soportar, durante un minuto, dos veces la tensión nominal a la frecuencia industrial. Esta regla, a pesar de su origen empírico, ha resultado satisfactoria en su empleo y no ha sufrido más que ligeras modificaciones (para las muy bajas y muy altas tensiones). Corresponde al ensayo dieléctrico llamado de «tensión aplicada». Consiste en poner sucesivamente cada devanado a un potencial uniforme de frecuencia industrial estando los otros devanados unidos entre ellos y a masa, así como una tierra. Este ensayo dura un minuto.
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CONDICIONES QUE INFLUYEN EN EL AISLAMIENTO
Efectos por el medio ambiente a).- Efectos de las condiciones atmosféricas Las características de la tensión de ruptura del aislamiento en el aire varía con las condiciones atmosféricas, la tensión de ruptura varía en forma inversa con la temperatura, pero directamente con la presión barométrica y de igual forma con la humedad absoluta. Densidad del aire=17.95*Presión Barométrica / (4600 + Temperatura)
b).- Efectos de las condiciones metereológicas Prácticamente no se toman en cuenta directamente a excepción de precipitaciones que humedecen las superficies aislantes, la cual se prevé con pruebas de impulso de bajo humedad; también los vientos influyen indirectamente debido al transporte y deposición de los contaminantes, siendo los más nocivos los vientos sostenidos suaves de velocidades de velocidades entre 2 y 5 m/s y las ráfagas de torbellinos de más de 10 m/s.
c).- Efectos de las condiciones de ensuciamiento Por diversas causas existen en la naturaleza sólidos en suspensión, líquidos atomizados, gases estables libres, etc., que pueden ser transportados fácilmente por el viento y gracias al campo eléctrico y gravitacional se depositan en las superficies aislantes, todo ello con ayuda de la humedad las líneas de fuga disminuyen produciéndose “flash over”, esto no es muy notorio en atmósfera seca pero si en presencia de la humedad.
Efectos físicos por servicios a).- Esfuerzos electromecánicos
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Los principales esfuerzos que soportan el aislante son debidos al peso, viento, electrodinámicos que aparecen por intervalos de tiempo debidos a fallas en el aislamiento o fallas por cortocircuitos. b).- Por abrasivos o impactos También son afectados por erosión natural causados por el viento, polvo que ocasionan porosidad en las superficies aislantes facilitando la contención de la humedad y contaminación, por ello la selección del material se basa en la garantía que ofrecen los proveedores.
c).- Por temperatura Los materiales dieléctricos sólidos, generalmente son malos conductores de calor, por lo tanto no les afecta la temperatura, pero si los accesorios metálicos de anclaje y ensamblaje que necesita el aislamiento para su fijación estos se dilatan contraen por calor, las cuales en alta tensión llevan juntas de dilatación. Para el caso de aislamiento externo que usan películas semiconductoras de estabilización de potencial se debe tener en cuenta que para temperaturas de operación por encima de los 25 oC, se pueden producir un empalamiento térmico acompañado de corrientes progresivas que destruyen el aislamiento y derivan en fallas francas.
d).- Envejecimiento por descargas parciales Afectan principalmente a los aislamientos internos en son cuales los puntos calientes van haciéndose más fuertes en función al gradiente de fuente de descargas, con el consecutivo debilitamiento y predisposición a la falla franca.
Características de la tensión de ruptura en los aisladores de los portabarras La suspensión y aparatos aisladores juegan un papel importante en la coordinación de aislamiento enana subestación, no solo estableciendo el nivel de aislamiento sino también determinando la magnitud de sobretensiones que soporta toda la subestación.
Impulso característico para aislamiento de transformadores
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El transformador es el equipo más caro en una subestación por ello es importante proteger adecuadamente para las condiciones más críticas. El nivel de aislamiento puede determinarse con una tensión de ruptura de el mayor aislamiento interno (aislamiento a tierra), la tensión de ruptura de del menor aislamiento (aislamiento entre espiras y arrollamientos), la tensión de flash over en los bushings o la combinación de estos. Los bushings representan una parte vital del aislamiento del transformador, estos impulsos de flash over pueden ser cuidadosamente considerados al establecer el nivel de aislamiento en un transformador.
Las características voltaje-tiempo de los bushings de un transformador difieren de las características de voltaje-tiempo de la aislamiento interna del transformador en general, el bushings tendrá un mas alto flash over y el tiempo de falla más reducido que el aislamiento interno del transformador. Para sobretensiones externas las precauciones consisten en dimensionar las tensiones de carga y de ruptura de los diversos conjunto de de instalaciones, también los tensiones de ignición y residual de pararrayos. La coordinación es el primer análisis como función de proteger la instalaciones más importantes del sistema tales como transformadores, de modo que las sobretensiones externas sean desviadas a tierra sin causar daño al sistema, los demás elementos del sistema deben ser aislados con valores más elevados, es por ello que loa aislamientos de dos elementos de la instalación tiene que ser coordinados. A causa de la coordinación de aislamiento los diversos aislantes de una instalación son divididas en grupos para las cuales se designan valores diferentes de rigidez dieléctrica. El conjunto de valores de tensión de un grupo forman un nivel de aislamiento también llamado nivel de tensión.
Los aisladores se dividirán en tres niveles:
Aislamiento interno; comprende todo aislamiento sólido, líquido y gaseoso, puntos de interrupción abiertos con separadores, puntos de difícil acceso separados por ejemplo con aceite, gas, etc. Aislamiento externo; comprende las diversas separaciones de las fases a tierra, para instalaciones de seguridad, un nivel mínimo es establecido por medio de interruptores de sobretensiones o protegidos por disipadores de seguridad.
Se puede coordinar aislamiento para dos niveles, soportados y de protección el primero se3 refiere a un exceso de aislamiento en aisladores, cable y dispositivos de protección siendo u nivel soportado, descarga cero; el nivel de
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protección formados por los dispositivos de seguridad representa un nivel de descarga máxima a cien por ciento. Designaremos al nivel superior como S y al inferior como P. Como la protección no debe responder a sobretensiones internas, la amplitud de la protección se determina por el límite superior de las sobretensiones internas. La amplitud del aislamiento se determina por la seguridad con que se despeja incursiones de rayos en el sistema.
MÉTODOS PARA EL DISEÑO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTOS La determinación de los valores de coordinación consiste en establecer los valores más bajos de tensiones soportadas por el aislamiento, que satisfaga los criterios de comportamiento del aislamiento, cuando estas aislaciones son sometidas a sobretensiones representativas de las condiciones de servicio. Los inconvenientes que ocasionan las sobretensiones ya sea interna o externa han obligado a una mejor aplicación de las prácticas de coordinación de aislamientos a partir de las siguientes premisas.
La definición de una onda normalizada de impulsos por sobretensiones internas . Un modelo que defina el comportamiento del aislamiento durante ciertos impulsos . La definición de pruebas de impulso normalizadas.
a).-Método convencional Se adopta un margen de seguridad entre la sobretensión máxima y la mínima tensión soportada por el aislamiento, éste método adolece de técnica debido a que la margen de seguridad es arbitrario, además que la máxima sobretensión y la mínima tensión de sostenimiento del aislamiento son magnitudes aleatorias lo cual no es aceptable para el diseño de costosos aislamientos en extra y ultra altas tensiones, pero se puede aplicar en alta tensión.
b).- Método estadístico Es una función probabilística de la naturaleza aleatoria de las sobretensiones y del sostenimiento del aislamiento ,debida a una sobretensión previsible con cierta frecuencia de aparición ,lo cual también puede permitir calcular el costo anual capitalizado de las fallas a partir del costo de una falla; para evaluar el
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riesgo falla se debe considerar todas las causas de las sobretensiones importantes ,y para cada una de las causas consideradas (frecuencia de aparición anual ,distribución estadística de amplitudes ) ,incluyendo sobretensiones internas ,con todos estos datos se puede calcular el riesgo falla con los siguientes pasos:
1. 2. 3.
Se determina la densidad e probabilidad de falla del aislamiento como un producto de las ordenadas de ambas características. por integración de dicha función se obtiene el riesgo falla, el cual podrá reducirse al incrementar el aislamiento(a mayor costo). El aislamiento podrá elegirse en el punto óptimo del costo por aislamiento y costo derivativo del riesgo de falla.
Donde: Probabilidad de disrupción. : Sobretensión. Densidad de probabilidad. : Densidad de probabilidad de falla debida a una sobretensión U. Riesgo de falla. El cálculo de R se aplica a elementos de aislamiento monofásico, para más elementos en paralelo con la misma fase se multiplicará por el número de elementos en paralelo.
c).- Método estadístico simplificado Se necesita definir a las sobretensiones y los valores de sostenimiento como simples valores o probabilidades en lugar de buscar las funciones enteras de probabilidad admitiendo que estas leyes son gausianas con una desviación típica de valor conocido.
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d).-Método determinístico Este método se utiliza generalmente cuando no se dispone de información estadística proveniente de ensayos para determinar el índice de fallas del equipamiento en servicio. Con este método, no se hace referencia al índice de falla eventual del equipamiento en servicio. e).-Método estadístico Este método está basado en la frecuencia de ocurrencia de una causa dada, la distribución de probabilidad de sobrentensiones relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la aislación. Igualmente se puede determinar el riesgo de falla combinando simultáneamente, para cada aplicación de tensión, las probabilidades de descarga y de sobretensión teniendo en cuenta la naturaleza estadística de las sobretensiones y de la descarga mediante procedimientos adecuados, por ejemplo utilizando los métodos de Monte-Carlo. Se puede obtener el índice de indisponibilidad del sistema debido a fallas del aislamiento repitiendo los cálculos para diferentes tipos de aislamientos y diferentes configuraciones del sistema. f).-Método estocástico.
g).-Método analítico. Este método está basado en el análisis científico de ocurrencia de una causa dada, la distribución de probabilidad de sobrentensiones relativa a esta causa y la probabilidad de descarga de la aislación.
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CONCLUSIONES La coordinación del aislamiento intenta encontrar un justo equilibrio entre la fiabilidad de los materiales, desde el punto de vista dieléctrico, por una parte y de su dimensionamiento, y por tanto su costo, por la otra parte. La explicación que se ha hecho en este documento muestra la complejidad de los parámetros que intervienen en este tipo de análisis. Los progresos realizados en el conocimiento de los fenómenos permiten hoy en día conseguir una acrecentada fiabilidad en las instalaciones, autorizando una optimización en el plano económico y en el de los esfuerzos en servicio. La continuidad de la explotación y la limitación al mínimo estricto de las consecuencias de todos los tipos de defectos, se consiguen con una elección adecuada de los dispositivos de protección y su correcta regulación. El equipo eléctrico de una instalación deberá estar aislado entre sí y con respecto a tierra. Esta característica de aislamiento no es constante y puede deteriorarse con el paso del tiempo por razones de humedad, por la acción de inclemencias atmosféricas, contaminación, etc. Es aconsejable el estudio del aislamiento a lo largo de la vida de los equipos, para poder prevenir su envejecimiento prematuro y sus averías. Los equipos de protección de las redes MT y AT garantizan una función de seguridad primordial. Deben de garantizar la protección de materiales y personas asegurando a la vez la disponibilidad de la energía. Sus disfunciones pueden producir a los usuarios pérdidas económicas importantes. Es, por tanto, esencial que respondan a altas exigencias de fiabilidad, seguridad, disponibilidad y mantenibilidad. Para esto, los equipos de protección deben de tener ciertas características técnicas e industriales, de las que, las más significativas, son: Proteger bien las redes y equipos MT y AT, gracias a algoritmos adaptados a las diversas funciones de protección.
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Ser fáciles de instalar, de utilizar y mantener. Ser fiables en un entorno severo. Ser capaces de autovigilarse, Tener una posición de repliegue.
La utilización cada vez más frecuente de pararrayos coadyuva a un mejor dominio del nivel de protección, especialmente por la mejora de sus características y su fiabilidad. Actualmente, teniendo en cuenta el desarrollo de las comunicaciones digitales (bus) y de la supervisión, la funcionalidad de los equipos de protección llega hasta el dominio del mando y control para una gestión óptima de la distribución eléctrica.
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BIBLIOGRAFÍA Cuadernos Técnicos Merlin Gerin La protección de los cableados de BT contra las perturbaciones electromagnéticas en los centros de alta tensión y muy alta tensión. F. VAILLANT. *Sobretensiones y coordinación del aislamiento. CT nº 151. D. FULCHIRON. *Cálculo de las corrientes de cortocircuito. CT nº 158. Protección de redes por el sistema de selectividad lógica. R. CALVAS y SAUTRIAU. Cuaderno Técnico Schneider nº 2. Puesta a tierra del neutro en una red industrial AT. MM. SAUTRIAU y TOUCHET. Cuaderno Técnico Schneider nº 62. Control, mando y protección de motores MT. J.Y.BLANC. Cuaderno Técnico Schneider nº 165.
Normas: CEI 60: Técnica de los ensayos en alta tensión. CEI 71-1: Coordinación del aislamiento: definiciones, principios y reglas. CEI 71-2: Coordinación del aislamiento: guía de aplicación. CEI 99: Pararrayos. CEI 56: Interruptores automáticos de corriente alterna de alta tensión. CEI 60-1: Técnicas de los ensayos en alta tensión - 1ª parte. CEI 71: Coordinación de aislamiento. CEI 76-1: Transformadores de potencia - 1ª parte: Niveles de aislamiento y ensayos dieléctricos. CEI 99-1: Pararrayos - 1ª parte. NF C 17100: Protección contra el rayo - Instalación de pararrayos: reglas.
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