t
SOLICITACIONES DIELECTRICAS
Lns solicitaciones diclcclricas a que están samclidos los aislamientos de
bis líneas en servicio pueden clasificarse en cuatro tipos y son debidas a:-
-
-
-
IJL
Tensión de servicio.
Sobretensiones internas tcmpoialcs. Sobretensiones internas de maniobra. Sobretensiones externas o atmosféricas.
TENSION DE SERVICIO La tensión de servicio de una línea sufre variaciones frecuentes alrededor
de ciertos valores; sh; embargo en lo que se refiere al cálculo de los aislamiento, S? f'ir re q1.!" F'i *** conni/inre n \q\tn\ n la tensión itiáxüxia de servicio. No obstante, para redes de tensión no muy elevada (por ejemplo, menor de 72,5 kV) y debido a que en ellas el neutro puede estar aislado o no rícetivamente puesto a tierra, será preciso elegir los aislamientos de forma que puedan soportar la tensión resultante en las fases sanas, cuando una fase se pone accidentalmente a tierra. ,
12 .
.
SOBRETENSIONES TEMPORALES
Estas sobretensiones se presentan rn forma de oscilaciones de fiecuencia próxima a la de servicio y débilmente amortiguadas (véase Fig. 1). Pueden ser originadas por faltas a tierra, desconexión de cargas importantes, resonnneias o ferrorLcmiianüas en circuitos no lineales. Su v lor no suele superar 1 5 veces la tensión de servicio.
1J.
SOBRETENSIONES DE MANIOI3RA
Estas sobretensiones son de breve duración y fuertemente amortiguadas (véase Fig. 1), Son debidas fundamentalmente a la maniobra de interruptores y pueden simularse, con respecto a los efectos que producen sobre los aislamientos con impulsos de maniobra normalizados 250/2500 /is. Lis maniobras de conexión, desconexión y reenganche de líneas en vacíocl corte de pequeñas corrientes inductivas o de magnetización de transforma,
7
doro-; en vacio, la eliminuciun de faltas y el corto de corrientes capacitivas de balerías de condensadores son casos típicos que pueden producir s. m. El primero de ellos es evidentemente el que más afecta al aislamiento de las líneas.
ta forma y el valor máximo de las sobretensiones dependen de un considerable número de íaclores. algunos de ellos de carácter aleatorio. Esta enorme
variedad de casos posibles origina asimismo una gran variedad de formas de TEMPOnALES
n.
lilMJI illiilllliililllllUIMIIIIIí
iíií i] j | [ l l l Ifmílil í
lOOmi
MANIOBRA
ms o
30
30
40
50
ATMOSr ERJCAS .
¡ 10
30
30
40
50
Fie. 1.*-Fonrras típicas de sobretcnsiones-
onda y valores de cresta posibles que ha impedido hasta el momento utilizar la forma de las sobretensiones como un factor a tener en cuenta en la coordinación de a¡slamiento limitándose sólo a considerar los valores de l
cresta como factores determinantes de la capacidad de un aislamiento para soportar una sobretensión dada. Para un tipo de maniobra determinado las ,
sobretcnsior
zs que se obtienen en sucesivas maniobras son diferentes pues el instante de cierre de un interruptor o de la aparición de una falta etcM .
,
,
son paráme-tros que presentan un carácter aleatorio. Esto da lugar a que pueda defiirirse una probabilidad d£ aparición de una sobretensión dada. Las curvas de probabilidad para una instalación dada y para un determinado
punto de la red se asemejan mucho a una distribución normal, salvo para valores muy pequeños o muy grandes de la sobretensión (véase Fig 2). -
Admitiendo este carácter normal de las distribuciones de las sobreten.
siones, se pueden deíinir éstas mediante dos únicos parámetros: valor medio y desviación típica. En el caso de las sobretensiones de n.aniobra, la desviación típica suc'c estar entre el 10 y el 20% del valor medio .
8
US50%
US2%
U
Fie* 2.-Función densidad de probabilidad de las 5. m. Para los efectos de la coordinación dr aislamiento se define una sobre-
tensión eslaJlsíica como el valor cuya probabilidad de ser sobrepasado es del 1% (véase Fig. 2):
307.
-
o
,
= valor mediano de la distribución de sobretesiones (coincide con el valor medio de una distribución normal).
= desviación típica de la disiribuciórl de sobretensiones,
Las sobretensiones en kVf medidas o calculadas en un punto de una red,
suelen expresarse en tanto por uno de la tensión de cresta de servicio existente en el lado red del Interruptor cuyá maniobra provoca la sobretensión en el momento anterior a dicha maniobra. Para elío se define un factor de sobretensión:
vT f/, valor de cresta de la sobretensión.
t/ = valor eficaz de la tensión de servicio.
A los* efectos de coordinación de aislamiento de líneas, para obtener las sobretensiones previsibles en kV se deben mullipHcar estos valores en p. U. por la tensión máxima de servicio a que vaya a explotarse la línea.
El valor relativo de las s. m. con respecto a las sobretensiones producidas por el rayo crece a medida que la tensión de servicio de las lincas es mavor. Esto unido al hecho de que los aislamicnlcs soportan una tensión más pequeña con s m. que con sobretensiones almosféricas y a que las distancias
de aislarnionto necesarias crecen más que- pmporcionalmcnte con las sobrentensiones, hace que las s.-m. jueguen actualmente un papel muy importante en el diseño de las líneas de tensión igugl o superior a 300 kV. En la tabla I se indican los valores a prever para las s. m. estadísti.
cas (2%) en líneas de A. T setiún el tipo de red de alimentación, tipo de .
maniobra, tipo de ¡nferrtiplor y grado de compensación reactiva. La tabla se refiere, sólo a sobretensiones producidas por maniobras de conexión en vacío o reenganche, por sor éstas las que producen generalmente las fobrelcnsioncs más imporlanlcs. Las sobretensiones dadas son en íinsil de línea es decir, en ,
el extremo opuesto a aquel en el que se- hace la maniobra
.
Las sobretcnsio-
9
Puntos de medido
final de lineo O Tipo de momobre coneAicn
0
reenganches
O
Resistencia de prcmsercion
.
si
.
no
Red de alimenlacicín compte|a
0
inductiva
O
Compensacioh reactiva.
o
Numera de estudios realizados
Mar.
s m.l'ié
Mecí.
ncs f»rmlücífl;is por cstn mi mn nirmiobra en oíros punios son sicnTpré menores (pie liís Judas y disminuyen hacia el origen de la línea \\%
1.4.
SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS
Estas sobrelcnsionés son de duración aiin más pequeña que las de maniobra y muy fucrlcmenlc amortiguadas (véase Fig. 1J. Son debidns gcncrnlrncnle a la caída de Un ravo sobre las líneas. Con respecto a los efectos que producen sobre los Sisl.imicnlos, pueden ser simuladas medíanle impulsos tipo rayo normali/.ados 1,2 50 fis. ,
También en este caso, el carácler aleatorio de ciertos parámetros, corrm intensidad del rayo, punto de caída, etc., determina que dichas sobretensio-
nes no puedan definirse mediante un valor concreto para una instalación dada, sino como una distribución de probabilidad de alcanzar una serio de valores. En primera aproximación suele considerarse también dicha distribu-
ción como normal. Su desviación típica suelé valer del orden del 'lO al 60% del valor medio.
15 .
CARACTERISTICAS DE LOS RAYOS
.
La descarga eléctrica entre una nube y tierra viene precedida por la formación de un canal guia en el que se acumulan cargas eléctricas producidas por la ionización del aire. Cuando este canal cortoíircuita el espacio nubetierra, se produce una fuerte corriente de neutralización de dichas cargas, que es lo que constituye el rayu. Según la polaridad positiva o negativa del centro de carga de la nube, así es la polaridad del rayo. Del 80 al 90% de los rayos son negativos.
Se clasifican también los rayos según el sentido de avance del canal guía: cuando este avanza Aq la nube a U tierra se denomina rayo descendente y cuando va al contrario rayo ascendente. En terreno llano, la mayoría de los rayos son descendentes, pero en terreno montañoso o con estructuras altas
se pueden producir rayos ascendentes.
A la primera descarga del rayo pueden seguir varias otras descargas si'
guiendo el m smo camino. El promedio de descargas sucesivas es de 3, separadas entre sí unos 0 03 s. ,
Un rayo positivo está formado generalmente por una sola descarga y lleva asociada una intensidad de duración del frente brga entre 20 y 50 /xs; su amplitud puede ser muy importante, superior inejuso a 100 kA. Un rayo negativo está formado nonnalmenté por varias descargas suce,
sivas, la primera de ellas lleva asociada una intensidad de duración del frente
del orden de 10 a 15 0 y amplitud más débil que los rayos positivos. Las sucesivas descargas tienen una duración del frente de 0 5 a 1 /ts y amplitud ,
débil.
La figura 3 muestra la distribución de probabilidad de intensidades del rayo obtenida por el Comité 33 de CIGRE a partir de los datos facilitados ,
por diferentes estudio
[2].
La figura 4 da las distribuciones de lo? parámetros de tiempo de la onda de intensidad del rayo [3] .
11
Se observa que la mcdiajin de la distribución de amplitudes de nijrq se encuentra alrededor de 25 kA.
7
o
-
A00
KkA FiC. 3 -Eíladfsticas de amplitudes de rayos. T zo r;nr =;ntTvqlo.'C rln confíanxn del 95li.
Trato gruc50=curva media.
loo
w *-
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50
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1
2
3 A
6 8 10
20 30 A0 60
'00/»s
Fie. 4.-Parámetros de tiempo del rayo.
16 .
.
FRECUENCIA DE CAIDA DE RAYOS
El dalo búsico pura el diseño de una línea frente al rayo es evidentemente la frecuencia ele enída de rayos, que se expresa en número de por km
1
y año. Este valor puede cstinnrse en función 12
del nivel isoceráuntco de la
/
.
onn, que vi el v.ilor medio de din?; de lormcnla a) año en dicha zona, me-
díanle la fórmula ['IJ:
siendo T el nivel isoceráunico, cuyo valor medio para difcrcnlcs zonas de España se da en la figura 5-
17
13 19
19
15
22 16
17
19
23
32 s
47 15
n
10
s I
r 11 j
l /i 10
FlG. 5.-Mapa de niveles Isoccráuaicos de España.
17 .
.
MECANISMO DEL IMPACTO DEL RAYO SOBRE UNA LINEA
El modelo clccirogiométrico del mecanismo del impacto del rayo [5] se apoya en las siguientes hipótesis:
La descarga d¿l rayo va precedida de la formación de un canal guía conductor que, al alcanzar la tierra, da paso a la descarga de rayo propiamente dicha.
La intensidad del rayo es proporcional a la tensión del canal guía previo a la descarga,
En su recorrido hacia la tierra, el canal gufn da un salto final hacia aquel objeto que cst¿ a una distancia de la cabeza del canal guía ¡cual a un
valor que depende del potencial del canal Vj por tanto; de la intensidad de la descarga a que va a dar lugar. Esta distancia viene dada aproximadamente por la fórmula (5J: r = M-/,/3
(r en mr 7 en kA) 13
Fin el cko Je inif tcto del r:iyo snhrc una línea, el rayo puede c:ier sobre un conductor de fase, y entonces cebarse un arco entre el conduelo*- y un apoyo» o bien sobre un apoyo o un lulo de tierra, e/l cuyo caso según el ,
valor de la impedancia de toma de tierra de los apoyos y las características geométricas de estos y de los conductores, se puede producir un arco en el sentido apoyo-conductor ó hilo de tierra-conductor {cebado Inverso).
a)
Caída del rayo sobre un conductor de fase
Si el rayo cae sobre un conductor de fase, bien por una falta de apantallamicnto de los hilos de tierra de la línea o bien porque estos hilos no existan, se originan dos ondas de corriente que parten en direcciones opuestas y de valor igual a la mitad de la intensidad del rayo dando lugar a dos ,
ondas de tensión de valor:
a(0=
yZci(0
siendo í(í) la Intensidad del rayo y Zc la impedancia de onda del conductor alcanzado por el (Fig. 6).
| 1 f
V X ¡y ~\
i
Fio. 6.-Impacto del rayo sobre un conductor de fase.
Si esta tensión supera a la tensión de cebado del aislamiento conductor de
fase-apoyo de la línea, se producirá un fallo en los dos apoyos más próximos al punto de caída del rayo» dando lugar a dos ondas cortadas que viafarán a lo largo de la línea hasta las subestaciones terminales Sí esta tensión-no es superior a la de cebado no se producirá fallo del aislamiento de la línea. Se observa que. en lodo caso las ondas de tensión que llegan a una subestación están limitadas por el nivel de aislamiento de la línea de la que .
,
p
proceden. Dado el nivel de aislnmionto de una línea se observa que sólo se produce ,
fallo di» la misma si la intensidad del rayo que cae sobre un conductor supera un cierto valor crítico í que, por efempto, para una línea de '120 kV es del orden de 8 5 kA. De aquí se deduce que, dada la distribución de intensida%>
.
des del rayo (véase Fig 3), la mayor parte de los rayos que caen sobre un .
14
fwiductof de fum en l;is Iíikñis aciiisiles (l;in lu str n un fallo de aislamiento. Por esla razun, tichv evitarle la caída directa do nivoS sobre los conductores
de fase, lo (¡uc se consigue instalando hilos de tierra que sirvan de panlalla contra
el
ravo.
b) Cuida del rayo mbre rin
Si el rayo cae sobre tm apoyo, la corriente que circula por la estructura mcláMca del apoyo y a través de su toma de tierra da lugar a la aparición
de una tensión imporlaritc entre la estructura y los conductores de fase. Esta tensión depende de la intensidad del rayo y de la ¡mpedancia que presenta el
conjunto apoyo-hilos de tierra-toma de tierra para la onda de frente escarpado correspondiente. Si esta tensión supera el valor de Ja tensión de cebado del aislamicjito conductor-apoyo, se produce un /alio del aislamiento correspondiente, que se denomina cebado inverso. En los apoyos de las líneas de alta tensión actuales no es fácil obtener valores de ímpedan :ia de la toma de tierra del apoyo para impulsos de frente escarpado inferiores a 10 fl, por lo quer teniendo en cuenta la distribución de intensidades del rayof la probabilidad de un cebado inverso puede ser elevada parq líneas de 145 kV, más pequeña para las de 420 kV y prácticamente nula para líneas d* 750 kV, debido a la mayor distancia en ellas entre los conductores y los apoyos.
Por el contrario, para líneas de media tensión ( 52 kV), las distancias de aislamiento son suficientemente bajas como para que la probabilidad de ecb mJo luVcrso
Ceióí la untdctx!, no
IcíiíCiiJg íijí»ihi Ciccto la irióiüiúciwí*
f
de hilos de tierra sobre el riesgo de- fallo de la línea. Sea, por ejemplo, una línea de 20 kV, de tensión de cebado con impulsos tipo rayo de 150 kV y apoyos con impedancia de puesta a tierra de 15 lUn cálculo simplificado nos dice que un rayo de intensidad superior a 10 kA
que caiga sobre un apoyo producirá un cebado inverso. La probabilidad de que un rayo tenga una intensidad superior a este valor es del 85% (véase Fig. 3), por lo que la instalación de un hilo de tierra no modificará considerablemente el numero de fallos por caída de rayos. Si el rayo cae sobre un hilo de tierra, se originan dos ondas de intensidad de valor mitad del correspondiente al rayo, que caminan en sentidos opuestos hacia los apoyos, por los cuales se descargan. Acompañando a estas
ondas aparecen otras dos de tensión, de valor:
4 Z" m siento í{/) la intensidad del rayo y
la impedancia de onda del hilo de
tierra.
Esta tensión crt el punto de traída del rayo depende del valor relativo del tiempo r que tarda la onda en llegar al ap yo más próximo y reflejarse en él y del tiempo de subida de la onda.
La tensión en el hilo de tierra puede dar lugar a un fallo del aislamiento entre hilos de licna y conductores de fase o entre estos y los apoyos adyacentes, que depende de la distancia en el aire entre ellos. El punto más 15
dcsfavnrubti! es aquel en que el valor de r os máximo, es decir, en el centro del v.-iruj, por lo qih! la d¡sl;iricin entre íiilos do tierra y coruluclores de f;ise debo sor nuyor en esta toiitu La menor flocha que se suele dar a los hilos de tierra en Ins IfnesiK está fundamentada en lograr esta mayor distancia de alslaniicnip en oí centro del vano, a la ver. que permite aumentar en esta zona
el apantaltamicnlo contra caída directa del rayo sobre los conductores de fase. Como resumen, se puede decir que la reducción de! riesgo de fallo de las líneas por efecto del rayo puede obtenerse apanlallando la línea con hilos de tierra, reduciendo la impedancia de puesta a tierra de los apoyos y estableciendo una distancia suficiente entre los hilos de tierra y los conductores de fase en el centro del vano.
2
.
COMPORTAMIENTO DE LAS
DE LOS
AISLAMIENTOS
LINEAS
El comportamiento de las Ifneas frente a las solicitaciones dieléctricas viene determinado por el valor de los sigiiLmles parámetros (véase Fig.. 7).
Tipo de aisladores y longitud total de la Ifnca de fuga de las cadenas de aisladores.
Distnncia de los conductoras y sus accesorios en tensión a los apoyos. Distancia de los conductores al suelo. Distancia de los conductores a los hilos de tierra. Distancia entre conductores de diferentes fases.
Estos aislamientos tienen como características el ser externos, autorrege-
ncrablcs, no cnvejcciblcs y nonfialmente de geometría variable por efecto del viento, temperatura de los conductores y otras sobrecargas. Además, la su-
perficie de los aisladores está sometida a la posible contaminación amblentatt Para unas condiciones ambifUltales fijas y cada Upo de impulsos aplicados, las tensiones de cebado de los intervalos de aire correspondienlfi 2 los aislamientos de las líneas tienen una rlisfribltn ríM apioximadamenle normal (véase Fig. 0), que puede caracterlíarse por su mediana Y sU desviación típica o-c. '
Para los efectos de la coórdiilación de aislamiento, suele definirse también
una tensión soportada estadíitica, que tiene una probabilidad ckl 90% de ser soportada y del 10% de producir fallo y que viene dada por:
En los casos de geometría variable del conjunto conductores-apoyo por efecto del viento, las variaciones aleatorias de las distancias de aislamiento en (orno al valor base determinan también una tensión de cebado diferente
según la posición de las cadenas de aisladores, que pueden condicionar la gomotría base a adoptar. Puesto que los aislamientos de las líneas están sometidos a unas condiciones atmosféricas vari.ihlcs, la distribución de tensiones de cebüdo de estos
aislamientos en la realidad difiere algo de la correspondiente a los ensayos en condiciones normalizadas en un laboratorio (20uCf 1013 mbar y hume16
1
!
i
Fie. 7.-Distancias de aislamiento en una linca.
dad 11 g/in5), Pnra los intcrvnlos de aire entre electrodos en tensión, aparte de las modificaciones de las tensiones de cebado producidas por condiciones ambientales variables (fundamentalmente la lluvia) que se indican a continuación para cada ipo de sobretensión, hay que considerar además una corrección por altitud, ya que las variaciones de la densidad del aire provo4
.
PJU)
Q9
01 ,
UC10 0/ /O-
Ur
FlG. B." Distribución de nrobabilldnd de descarga disrUpliva 17
c:ui una rciluccíón de Ijs tiMisionoi do ccb;uto que puede estimarse del ordert t
del Of57¿ por tiü:i 100 ni a pnrlit de los 1000 ñl de allitud.
2 1 .
COMPORTAMIENTO CON LA TENSION DE SERVICIO
Cabe distinguir aquff por su diferente comportamiento, el aislamiento de-
terminado por las distancias en el aire entre conductores o diferente potencial y el correspondiente a 'os aisladores de la línea, a)
Intervalos da aire
La tensión de cebado 50% a frecuencia industrial de los intervalos de aislamiento en el aife viene dada, aproximadamente para condiciones atmos,
Kricas normales (20 0C# 1013 mbar y humedad ll g/m3}f por la íórmula siguiente, válida para distancias inferiores i B m [Ají
siendo:
= coeficiente que depende de la geometría de los electrodos (véase tabla III). c/ -distancia más corta, en metros, entre los electrodos, fcsovi cu vakw de cresta (IcV),
La desviación típica de la distribución de tensiones de cebado en condiciones atmosféricas normales es del orden del 3%. Como la tensión de servicio está apücada permanentemente, se suele dcii-
nir una tensión soportada a f.i. de un intervalo de aire como el valor:
cuya probábilidad de ser soportada es prácticamente del 100%. En esta expresión,
es la tensión de cebado 50% en condiciones
variables, que para un intervalo de aire coincide prácticamente con la obtenida en un laboratorio en condiciones normales [fórmula (l)] y cr se toma igual c
al 6% de ü9**,r
En consecuencia, se deben reducir los valores de la fórmula (l) en un 2i% para obtener la tensión soportada 100% de un intervalo de aire de una línea t\\ servicio.
b)
Cadenas de aisladores En una cadena de aisl: dores
el arco eléctrico puede establecerse a frecuencia industrial de dos formas distintas: si los aisla lofcs están secos y limpios, el arco se establece siempre entre los anillos de guarda de la cadena; sin embargo si los aisladores están contaminados y en prosencia de lluvia suave o niebla el arco puede establecerse rastreando la superficie de los ,
,
,
aisladores
,
contorneándolos. Por consiguiente, una cadena de aisladores pre-
senta dos tcnsionos do cebado: una en seco y sin contaminación que depende ,
de la distancia entre anillos de guarda o herrajes en tensión y los elementos metálicos puestos a tierra y otra bajo lluvia y con contaminación, que depen,
18
rfc de U\ longilud ele la Iftitíg de fuiia de h cadena y del gnido de conlnmin;ici6n.
Incluso en ¡iU5cncisi ilc conlaminiición, In presencia de lluvia produce una reducción de l;i lensiún de cebado del orden del 30% con respecto al valor en seco [12J. ISn
cuso do conlnndn.ición, In
Icnsión
de conlornc;imicnlo de los aisla-
dores de linca es aproximadamente proporcional a la lonptad de la línea de fuga, p.ira las cadenas ulili/.adas en las líneas actuales y para un mismo grado de contaminación.
En la tabla II se hace una clasificación de las zonas según su grado de conlamiiiaciun, se indica el comportamiento de las líneas instaladas en ellas
y se recomienda el valor de la longilud de la lineo de fuga d utilizar, referida a la tensión L-íicaz fase-tierra [6]. Dicha tabla es válida para cadenas de. '
aisladores del lipo de caperuza y vastago. Para otros tipos de aisladores de línea, como los aisladores tipo bastón, la longitud de línea de fuga necesaria
depende de la forma del aislador y habrá que referirse a la información que facilite el fabricante para condiciones bajo contaminación, que pueden llegar a ser hasta un 25% mayores que las deducidas de la tabla 11. La Ifnea de fuga necesaria, en centímetros, se calculará, pues, multiplicando el valor adecuado de la tabla II, en cin/kV, por la tensión fase-tierra más elevada a la que se supone va a trabajar la línea.
22 .
COMPORTAMIENTO CON LAS SOBRETENSIONES
.
TEMPORALES
El compoiísmicriío d¿ Igí; aislamientos frente a las s. t. zz el rnisnro que a f. f. pero, debido a su valor reducido, inferior a las sobretensiones de maniobra en las líneas actuales, no suelen tenerse en cuenta para el diseño de los intervalos de aire en las líneas.
Para líneas en redes de neutro aislado y que puedan funcionar durante
cierto tiempo con una fase a tierra, habrá de tenerse en cuenta la tensión en las fases sanar para la elección de las cadenas de aisladores en condiciones de contaminación.
23 .
.
COMPORTAMIENTO CON SOBRETENSIONES DE MANIOBRA
La tensión de cebado 50
de los intervalos de aislamiento en el aire viene
dada, aproximadamente, nara condiciones atmosféricas normales, y polaridad más desfavorable, por la fórmula [4]:
//
i
3m
m
siendo: A j-cocficicnlc -
-
que rlepcndc de la pcomtilría de los electrodos (v¿asc
(nbla III).
tZ-dislanch mí? corla entre los elcctroj-los, en
metros.
V,!9\'t en kV. 19
TABLA II Clasificacióh ds las zonas secOn sl C
DO DC CONTJLMOUCIÓH i
Longitud Grado de contaminación
(/c la fincu
Tipo de zona
Comportamiento de las lítieai
de /us'ü en cm kV
latC'riifrrn
Inapreciable
Zonas libres de industrias y de edificios con calefacción. No se observa ningún fallo por fuerte humedad Zonas coa débil densidad industrial o edificios con (niebla, brumas) en las líneas de 145 kV que están provistas de al menos 9 ó 10 aisladores de calcfaccicn y con vientos o lluvias frecuentas. Estas 146x253 mm. zonas deben estar lejos del mar y no expuestas a los vientos procedentes del mar.
2-2 5 ,
Zonas con industrias no especiaJmence contaminantes Se producen fallos en caso de nieblas en lasl | o con una densidad normal de edificios con calefac-
Ligera
Fuerte
ción, Zonas- muy industriales o con gran dersidad de edificios can cale&cciáa y con vientos y lluvias frecuentes. Zonas expuestas al aire del mar, pero no próximas a la costa (mds de L kra).
líneas de 145 kV que están provistas de 9 ó 10 aisladores de 146x255 mm y sobre lincas de 245 kV provistas de menos de 15 aisladores.
Zonas muy industriales o con fuerte densidad de-edi- Se producen fallos en caso de nieblas o cuando ficios con calefacción. Zonas próximas al mar o exel viento sopl?. del mar en líneas equipadas cu un número normal de aisladores (menos de 11 puestas ai viento relativamente fuerte piocedence del mar. ó 12 en líneas de 145 kV y menos de 18 sn líneas de 245 kV).
3-3 5 .
i
4-5
i
Muy fuerte
Zonas generalmente poco extensas sometidas a. humos Se producen fallos ea caso de nieblas o durante 1i industriales que producen depósitos conducteres espetempestades sobre las líneas de A. T. equipadas sos. Zonas generalmente paco extensas próximas a la incluso con aisladores antipolución, salvo si el costa y expuestas a los vientos fuertes y muy contanúmero de aisladores es panicularmence eleva- 1 minantes procedentes dei mar. do (más de 11 a 12 elementos en líneas de 1 145 kV o más de 18 en. líneas de 245 kV).
1
Im dchvinchiti (iptct! ilv l-i ieh
,
.
.
lak'S varialiti'S y líi prc cncui de lluvin d.in lugnr a uno dislribución de tcnsiones ilu ceh.ulo con un valor mcilwmo Ut ,-(l nproxinind;imente Ijliial ni oblcMíido de ín r
tipien cr. del orden del H\ [6] [12]. Fin el cnso de ¡nshidores. ín presencia de lluvia produce una reducción de la tensión de cebado del orden del 5'!,. con i especio a su valor en seco [12]. Cn la actualidad se están realizando estudios para conocer con detalle
el efecto de la contaminación sobre el comporlamicnlo de las cadenas de aisladores con s. mM aunque, dada la pequeña duración de eslas sobretensiones, la posible contaminación supcrficinl de los aisladores no parece afectar sensiblemente al valor de la tensión soportada con s. m. por las cadenas de aislndorcs, por lo que no se tiene cn cuenta para el cálculo de la longitud de la línea de fuga necesaria.
2A.
COMPORTAMIENTO CON SOBRETENSIONES ATMOSFERICAS
La tensión de cebado 50% de los intervalos de aislamiento en el aire
viene dada npro'nmadamente, para condiciones atmosféricas normales y la polaridad más desfavorable, por la fórmula [41; t/c50V =M .
(3)
siendo: J,
-
coeficiente que depende de la geometría de los electrodos (véase
tabla III). <í=distancia más corta entre los electrodos, en melros. l/f5ov cn kV. t
Este valor viene muy poco afectado por la presencia de lluvia, por lo que no suele considerarse ningún efecto corrector por esta causa. Para los inter-
valos de aire de una línea se calculará, por tanto, el valor t/rsov# de acuerdo con la fórmula (3).
La desviación típica de las tensiones de cebado en condiciones normales es del orden del 3%. Para las condiciones variables de una línea, este valor se incrementa basta el 5
En ti caso de las cadenas de aisladores, a t presencia de lluvia o contaminación no produce ninguna reducción de la tensión de cebado con este tipo de sobretensiones.
25 .
.
CALCULO DEL RIESGO DE PALLO DE UN AISLAMIENTO SOMETIDO A SOBRETENSIONES
Conocidas las distribuciones de probabilidad de las tensiones de cebado de! material y de las sobretensiones previstas, es posible calcular el riesgo de avería del aislamicn'o frente a dicho tipo clr sobiclensiones.
Sea p,{U) la densidad de probabilidad de la distribución de sobrelenslo21
TABLA III '
Valoras oc los CQZf tcizxrzz- iu ¿2 y
para ocrHRENrzs cqmfiguracioncs
CEOMáT ÍCXS DC LOS ELECniODGS Forma de los electrodos
i
V
Anillo de guarda-corre de celosía oc crucetas.
i'-
ai
Anillo de suarda-torre de celosía con vencana.
t !
1.40
550
1 30
1 20
550
1.30
1.10
550
1.45
1.35
550
1 20
L0Q
1 65
1.50
550
1,60
550
,
¿i/
i 'TtTtT.
I
1.25
.
Conductor-suelo.
Conduccor-objeco-(vehículo, edificio, ...).
1
«1
TTTTT
Varilla-plano.
.
.
180
I
Conductor-conductor.
Anillo de guarda-anillo de guarda.
l
.
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.
l
1
ncs. Sen Muiliícn fy//j Iti íiincmn rfc clÍKlríbiicífiii efe efesenrga dfsnifilíva, es decir, l.i pitilKihiiulncI tic cjiic la Icilslnn ilísrupliva Jcl aislamiento sea igual O inferior a U.
Según tilo, la probahilMhd de ÍmIIo para las sobretensiones comprendidas entre U y U* dU es:
R\ riesgo de fallo total .será:
PjV)pJU)dÜ
Fin la figura 9 se ilustra gráficaincntc este cálculo:
krd{xJ)
(U) i Jl
'
i
pitU)Pd{U)
= dR/dÜ
U
r
Fie. 9.-Calculo del iesgo de fallo de un alslamícnlo.
51 se rciucrza el aislamiento, ia curva hJJJ) se despia/.aní nucía la dereclia en la figura 9 y por tanto, el riesgo de fallo disminuirá (véase Fig. 10). Si p/JJ] se refiere a las sobretensiones en una fase respecto de tierra y se puede suponer que esta distribución es la misma para las tres fases, el riesgo de que se produzca un fallo en al menos una fase de un sistema trifásico es tres veces el riesgo calculado mediante la fórmula nnterior, si los ,
aislamientos son los mismos en las tres fases. En el caso del cálculo del riesgo de fallo con s. m., si p iü) se lia calculado teniendo en . cuenta sola.
mente la fase que en cada maniobra da lugar a la sobretensión mayor, la fórmula anterior da ya directamente el riesgo de fallo del sistema trifásico [6JMétodo estadístico simplificado ÍI1 método estadístico descrito anteriormente puede simplificarse si se considera que, tanto la distribución de probabilidad de sobretensiones como la de fallo en el aislamiento, son gausianas y con una desviación típica conocida. Con estas suposiciones, basta un solo valor característico de estas distribuciones para conocer la distribución completa.
Recordemos una vez más que la distribución de probabilidad de fallo no puede obtenerse más que para aislamientos aulorreecncrables, por lo que para aislamientos no autorregcnerablcs en principio, el método no es válido. ,
Con este fin se define una sabrcteusióií estadística U%y como aquella que
tiene una probabilidad de ser rebasnda del 2
(véase Fig. 2). Eslc valor se
ha elegido de manera que los errores cometidos al susliluir la distribución 23
de solircfirrisíoneS renl por lina distribución normal no influya a preciablemente en el r|cs};u do fallo rcsultjnte. An;iNuMnicnto se define una tensión so/mtlmla estadística de los aíslamicnlo*; Ú?w'i como aquella para la cual la prohabilidad de que se produzca una descarga disruptíva con una tensión inferior o igual a ella es del 10% *
(vense Tig. 8). Conocidos estos valores y supuesto que se conocen también las desvia-
ciones típicas de ambas distribuciones, se tienen los dalos suficientes para calcular el riesgo de fallo para diferentes valores de la relación siguiente, que se puede considerar corno un coeficiente de seguridad estadístico [6J:
Kn la figura 10 se representa este cálculo para valores de y iguales a l-l 2 (
y M. El resultado de- este cálculo puede darse en forma de una gráfica, como se indica en la figura llr que facilita el valor de riesgo de fallo R para diferentes valores del coeficiente de seguridad y.
pj cu)
7777777.
u
u
C10% = us 2% -Al
u
UClO% a U U52o/
n rn i
UC10% = ».4
U
/o
FlO. 10--Riesgo de fallo para diferentes valores de y.
24
26 .
.
CALCULO DEL RIUSGO bü CALLO CON S. M.
Como ya se ha iiiillclido, lü dcsvlaclriti Ifpíca de h ilistrlbución de tcnshiucs de cebüdo de los ¡i)iar
10
»
-
"
10
\
\
1
Límilc /
""
superior r
xr
Límite
f\
Inferior
10"
"
to
V \
\
Curva
media 10
1
1
10'
07
0,0
ao
i.
i,t
ífl
1.3
14
i.G ]
FlC. 11.-Hiespo de fnllo cu función del coeficiente de seguridad cstadíMico y para crc = 8% y 0-, = 10-20%. (Para s, m.)
Si existen varios apárelos de iguales carac'crísHcas sometidos simultáneamente a la misma sobretensión (caso de los aisladores de una línea con s. rn.
debidas a maniobras en vacío o reenganche rápido), el riesgo de fallo del conjunto se puede calcular a partir del riesgo de fallo de un solo elemento. Efectivamente, la probabilidad de fallo del conjunto es la probabilidad de que al menos uno de ellos falle al someterlo a una determinada sobretensión. #De acuerdo con eslot y supuesta una independencia total entre las solicitaciones a que está sometido cada uno, el riesgo de fallo del conjunto de N elementos es:
/?l0( = l-(l-W
?i R es muy pequeño, el riesgo del conjunto resulla, aproximadamente:
Ahora bien, en el caso de una lineal las sobretensiones a que se ven sometidos los ablamicnlos son diferentes scatin su situación en la línea. Por e)cm25
pío, si *c tr;ifj dd Uiui itKiniófirtl iiti conexión cu vacío, las sobretortsiono? miiyorcs so pnscnUn en exlrenu) en vacío y son prüjrinuis a 1 p. u. en el cxlrciiiu en qiíc se hace la ccmcxifin. Un consecuencia, y sjIjto todo ():ir,i líneas de gran longitud, no pueden aplicarse las fórmulas anteriores para calcular c! riesgo total a partir del riesgo de un elemento. Para soslayar este problema se podría calcular un número equivalente de
elementos suponiendo que en ellos las sobretensiones son simultáneas c iguales al valor de las sobretensiones en el extremo de la línea, y de modo que su riesgo de fallo fuera igual al riesgo de fallo real de la linca cotí un perfil de sobretensiones dado.
Suponiendo un perfil de sobretensiones lineal, con una sobretensión 50% at-final de la línea C/,*)»/
f y otra al principio de la misma tl9j§%mp, se puede calcular el número de elementos equivalentes mediante la fórmula [HJ: ,
Mr- m7 U*ío9/$
.
N*
f
Una vez calculado este número de elementos equivalentes, se puede calcular el riesgo de fallo de la línea a partir del riesgo de fallo de un elemento situado al final de la línea:
7
3
= MI
PROTECION DE LAS LINEAS
.
CONTRA
3 1 .
.
EL
RAYO
ANGULO DE APANTALLA MIENTO
La probabilidad de caída de un rayo sobre un conductor de fase viene fucitcmcnlc influenciada por la posición de los hilos de tierra. Dada la distancia entre un conductor de fase y el hilo de tierra que lo protege la posición de este último queda definida por el ángulo que la recta que une ambos forma con la vertical, lo que se denomina ángulo cíe apantallamiento O (véase Fig. 12). ,
El cálculo del riesgo de fallo por apantallamiento insuficiente y la deter-
minación del ángulo necesario para un apantallamiento total se realiza con ayuda de un modelo elcctrogcométrico del comportamiento del rayo (5] Por otra parte, tal como se indicó en el apartado 1 7 no lodos los rayos que pueden caer sobre un conductor de fase darán lugar a una falta, ya que es necesario que su intensidad sea tal que produzca una tensión superior a la tensión de cebado del intervalo conductor-apoyo Si es Zc la impedancia de .
.
.
onda del conductor esta tensión vale: ,
U, = IZJ2 26
,
I
Fie, 12.-Apnnlnllamicnlo parcial. siendo: Z = 60lii
2tf
f
r.sradio ciiuivalCfitc del haz (radio geométrico medio). Para un conductor único, debe tomarse igual a 6 cm para tener en cuenta el efecto corona debido a la tensión producida por el raj'O en el conductor. 7?A=: radio del haz (/?A=j/2scn -rr/n).
i separación enlre subconduclorcs del haz. rissnúmero de subconductores del haz.
r|»radio de un subconductor. 7 = vaIor de cresta de la intensidad del rayo, impedancia de onda del conductor ['l]. -
y = altura inedia del conductor.
De esta manera sólo los rayos de intensidad superior a un cierto valor crítico /ri definido por:
/f=
2l/g0V>
siendo:
Ü**h&tí*m
2t5
