Fallas en Lineas de Transmision Por Descargas Atmosfericas

Universidad del Valle. Valle. Eynher Riascos, fallas en líneas de transmisión por descargas descargas atmosfericas

FALLAS EN LÍNEAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ATMOSFÉRICAS

EYNHER ABEL RIASCOS OSPINA

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA CALI VALLE DEL CAUCA 2019

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FALLAS EN LÍNEAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ATMOSFÉRICAS

EYNHER ABEL RIASCOS OSPINA

Trabajo de investigación

Ferley Castro Aranda Ph.D.

UNIVERSIDAD DEL VALLE FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA










CONTENIDO Pag 1. INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………... 3 2. MARCO TEÓRICO…………………………………………………………….………. 4 3. CARACTERÍSTICAS DE UNA DESCARGA………………………………...………. 4 3.1 Origen de una descarga eléctrica……………………………………………...…4 3.2Cantidad de descargas……………………………………………..…… descargas……………………………………………..…………… ……… 6 3.3 Densidad de descargas a tierra ………………………………………………… 6 3.4 Forma de onda de una descarga………………………… descarga……………………………………………….…7 …………………….…7 3.5 Distancia de rompimiento…………………………………………...… rompimiento…………………………………………...………….. ……….. 8 3.6 Medición de las descargas descargas atmosféricas………………………….……………. atmosféricas………………………….……………. 8 4. DISPOSICIÓN DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN………………………………... 9 5. EFECTO DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN…………………………………………………………………..….… TRANSMISIÓN………………………………………………………………… ..….… 10 5.1 Impacto directo al conductor de fase………………………………………….. 10 5.2 Impacto directo a la estructura o al cable protector……………………...……...11 6. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA…………………………………………..…. 14 7. EFECTO DE LA PUESTA A TIERRA……………………………………………….....14 8. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE LA TORRE……………………………………………………………………………….….16 9. ONDA VIAJERA EN LÍNEAS POR DESCARGA ELÉCTRICA ………………..….. 17 10.S 0.SALID ALIDAS AS DE LA LÍN LÍNEA POR POR FALL FALLA… A……… ………… ……… ……… ………… ………… ………… ………… …….… .……. …. 17 10.1 Salidas Salidas por por fallas de apantallamiento………………………… apantallamiento………………………… ..………………….… 17 10.2 Salidas por flameo inverso………………………………………………………..…… 17 10.3 Número total de salidas de la línea por descargas atmosféricas…………….……... 18 10. CONCLUSIONES……………………………………………………………...……….18 11. REFERENCIAS ……………………………………………………………….……… 19










In Abstract— In

this re this reppor ortt we wi will ll ana naly lyzze th thee fa fauult ltss in th thee ele lecctr tric ical al tr traans nsmi misssi sioon sy sysste tems ms due to th thee atmo at mosp sphe heric ric di disc scha harg rges es,, in pr prin inci cipl plee th thee ph phen enom omen enon on of at atmo mosp sphe heric ric di disc scha harg rgee wi will ll be un unde ders rsto tood od,, ever ev eryt ythi hing ng th that at co conc ncer erns ns it itss or orig igin in,, pr prob obab abil ilis isti ticc me meth thod odss of pr pred edic icti tion on of at atmo mosp sphe heri ricc di disc scha harg rges es and how they affect the lines of transmission, but will be studied primarily as it affects the atmo at mosp sphe heri ricc di disc scha harg rges es to th thee tr tran ansm smis issi sion on li line nes, s, tr tran ansi sien entt an anal alys ysis is wi will ll be ma made de an andd th thee re reac acti tion on of the elements present in the system, and finally the types of faults that it generates in the system. INTRODUCCIÓN

Haciaa la mita Haci mitadd del del sigl sigloo XV XVII IIII Benj Benjam amín ín Fran Frankl klin in demo demost stró ró por por prim primer eraa vez vez la natu natura rale leza za eléc eléctr tric icaa del rayo. Elevando una cometa en medio de una tormenta eléctrica y conduciendo una descarga hast hastaa un cond conden ensa sado dorr (bot (botel ella la de Leyd Leyden en), ), demo demost stró ró que que habí habíaa alma almace cena nado do algo algo que que pres presen enta taba ba el mism ismo comporta rtamiento que las las cargas eléctric ricas (que se generaban en esa época por fri fricción). Simul imultá tánneamen amente te en otro tros luga lugare ress del mund mundoo se rea realiz lizaba aban inv investig stigaacion iones simi simila lare ress como como la del del científico ruso Giorgi W. Richman, quien pereció electrocutado en una de sus pruebas. Más Más tard tarde, e, el mism mismoo B. Fran Frankl klin in inve invent ntar aría ía el para pararr rray ayos os,, para para defe defend nder er las las edif edific icac acio ione ness y pers person onas as de los efectos del rayo. Cuand uandoo a prin princcipio ipioss del del siglo iglo XX, apa aparec reciero ieronn las las prim rimera eras lín líneas de tra transmi nsmisi sióón, volv olvió el rayo rayo a causar usar pro proble blemas mas que que repr repres eseenta ntaban ban gran randes des perju rjuicio icioss al tran transp spoorte rte de energ nergía ía eléc léctric trica; a; desd esde entonces comienzan proyectos de investigación de gran magnitud. En 1905 1905 se repo report rtan an ya estu estudi dios os foto fotogr gráf áfic icos os de desc descar arga gass atmo atmosf sfér éric icas as real realiz izad adas as con con una una cáma cámara ra móvil [1]. Vien ienen luego proyectos tos donde se mide iden grad radien ientes tes causados por la carga de las las nubes [2], se utilizan el klidonógrafo [3], el oscilógrafo [4] y muchos otros medios para un estudio detallado de la descarga atmosférica y su efecto en los sistemas de potencia eléctrica. Con la construcción en los años veinte de las primeras líneas a 220 kV, se empieza a cons consid ider erar ar impo import rtan ante te la real realiz izac ació iónn de mapa mapass isoc isocer eráu áuni nico cos, s, se van van perf perfec ecci cion onan ando do cada cada vez vez más más las metodologías de recolección y procesamiento de datos de salidas de las líneas y se va adquiriendo una buena comprensión comprensión del efecto de las descargas atmosféricas sobre las líneas. Sin embargo, hoy se hace necesario empren render proyectos que eviten ten el alto número de salid lidas en algunas lín líneas y elab laborar un diseño más aprop ropiado de líneas futuras ras, para evitar tanto exceder un núme número ro esta establ blec ecid idoo de sali salida das, s, como como tamb tambié ién, n, el sobr sobred edim imen ensi sion onam amie ient ntoo que que se hace hace evid eviden ente te en un número de aisladores exagerado .










1. MARCO TEÓRICO

Descarga atmosférica: La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes. Onda viajera: Una onda es una pert pertuurba rbació ción que viaja iaja a tra través vés del esp espacio acio y del del tie tiempo mpo,co ,con tra transpor sporte te de energ nergía ía de un punt puntoo a otro otro,, las las onda ndas se des describ cribeen med median iante la fun función ión de onda nda, cuya uya ecuac cuació iónn mate atemáti máticca depende de la onda y del medio Puesta a tierra: a puesta a tierra es un mecanismo de seguridad que forma parte de las instalaciones eléctricas y que consiste en conducir eventuales desvíos de la corriente hacia la tierra, t ierra, impidiendo que el usuario entre en contacto con la electricidad. Impedancia: es una medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tensión. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto magnitud como fase. Hilo guarda: El cable de guarda es un conductor tendido en paralelo y sobre los l os 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 2.CARACTERÍSTICA 2.CARACTERÍSTICA DE UNA DESCARGA ATMOSFÉRICA

2.1 Origen de las descargas atmosféricas: Las descargas atmosféricas se originan por concentración de carga eléctrica en las nubes, principalmente en las capas inferiores a la estratósfera (alturas entre 5 y 12 Km.). Se inician en puntos de alto gradiente eléctrico debidas a la carga originada por las fuertes corrientes de aire que ionizan las partículas de hielo y agua. Esta carga es en la mayoría de los casos negativa. Cuand uandoo se supe supera ra el gra gradie diente nte crít crític icoo del aire ire se orig rigina inan peq pequeña ueñass desca scargas rgas que que van crean reando do un cana canall ioni ioniza zado do por por él que que va avan avanza zand ndoo una una desc descar arga ga en una una seri seriee de paso pasos, s, deno denomi mina nada da "D "Des esca carg rgaa Líder", la cual se va acercando al punto de carga opuesta que es la tierra. Figura 4.1.a.










acerca a tierra o a algún objeto elevado, en éste se concentran cargas positivas y se producirán pequeñas descargas descargas que que van al encuentro encuentro del líder. Figura 4.1.b. 4.1.b. En el momento de cerrarse el camino entre nube y tierra, se produce una gran descarga de tierra hacia nube llamada "descarga de retorno", ésta constituye la etapa más energética del rayo y neutraliza la carga existente en la nube. Figura 4.1.c. Normalmente este proceso se repite varias veces ocasionando ocasionando descargas de retorno secundarias, no tan tan fuer fuerte tess como como la inic inicia ial, l, esta estass desc descar arga gass sigu siguen en el cami camino no ioni ioniza zado do deja dejado do por por la prim primer era. a. Figu Figura ra 4.1.d. No siempre las descargas van a tierra pudiendo ocurrir entre puntos de distinto signo de carga en la misma nube, o entre dos nubes. El rayo va acompañado de una gran señal acústica, denomina inada trueno, la cual es generad rada por el choque de columnas de aire.












2.2 Cantidad de descargas : El número de descargas varía en cada sitio y no se han determinado maneras de calcularlo. La información debe ser obtenida con base en datos históricos. Se utiliza como indicativo de la actividad atmosférica de una región, el nivel ceráunico. El nivel ceráunico está definido como el número de días al año en los cuales se escucha al menos un trueno. Con los valores de nivel ceráunico de una región o un país se elaboran los mapas isoceráunicos, éstos contienen curvas de igual nivel ceráunico. Figura 2.

Figura 2. Mapa de nivel isoceráunico El nivel ceráunico o nivel isoceráunico (NI) es una información muy elemental sobre la l a actividad atmosférica de una región y su importancia se basa en la manera de relacionarlo con la densidad de descargas, es decir con el número de descargas por kilómetro cuadrado por año. 2.3 Densidad de descargas a tierra : Exis Existe tenn dife difere rent ntes es apro aproxi xima maci cion ones es que que rela relaci cion onan an la dens densid idad ad de desc descar arga gass a tier tierra ra con con el núme número ro de días tormentosos por año. Estas relaciones poseen parámetros que son en alguna medida encontrados estadísticamente. estadísticamente. En general, la ecuación usada es:










2.4 Forma de onda de una descarga : La desc descar arga ga es de muy muy cort cortaa dura duraci ción ón,, alca alcanz nzan ando do su valo valorr máxi máximo mo en tiem tiempo poss que que varí varían an entr entree 0.1 0.1 y 10 microsegundos, luego decreciendo exponencialmente en tiempos entre 20 y 200 microsegundos. Para identificar las descargas se tienen dos tiempos: Tiempo de frente: tiempo en el cual la onda alcanza su valor máximo Tiempo de cola: tiempo en que la onda decrece al 50% de su valor máximo. La forma de onda se ilustra en las figuras 3 y 4., ésta última corresponde a una ecuación de la forma










Figura 4. Forma de Onda ideal de un rayo

2.5 Distancia de rompimiento: Al acercarse un rayo a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dieléctrica del aire y se produce el rompimiento hacia el sitio más cercano, puede ser éste un árbol, una línea o la misma tier tierra ra.. La dista istanncia de romp rompim imie iennto, to, o dista istanncia a la que salta lta el arco rco, depe epende nde de la magn magnit itud ud de la corri orrien ente te de la des descarg cargaa. Ray Rayos con con mayo ayor conc oncentr entraación ión de carg arga, ocas casiona ionann según gún se ha podi podiddo expe experi rime ment ntar ar,, romp rompim imie ient ntoo desd desdee mas mas gran grande dess dist distan anci cias as.. La dist distan anci ciaa de romp rompim imie ient ntoo está está dada dada por la ecuación: ecuación:

2.5 Medición de las descargas atmosféricas: Son inc incontables las las herra rramientas que se han utili ilizado para medir las las corri rrientes y volta ltajes jes de los










Al impactar la descarga “de retorno” la línea de transmisión, produce corrientes altísimas que aumentan en unos pocos microsegundos. Se presentan corrientes pico entre 20 y 200 kA, aunque estas últimas son muy raras. Para el comportamiento del sistema ante la descarga, es importante la rata de aumento de la corriente proveniente del rayo. Se suele suponer en los cálculos, que la corriente aumenta linealmente desde cero hasta el valor pico en forma de rampa, con un determinado tiempo de duración (tiempo de frente, ó de cresta), que se estabiliza un instante en el valor pico y luego decrece más lentamente lentamente hasta volver volver a cero cero Para el valor de la corriente también se observa dependencia con respecto a la impedancia característica, tanto del sistema golpeado como del canal de la descarga (véase figura 4)

Figura 5. Circuito equivalente de una descarga. Io: Corriente de descarga prospectiva (fuente de corriente constante). Iς: Corriente de descarga en la impedancia terminal (ZR). Zς: Impedancia característica del canal de descarga. ZR: Impedancia característica resultante. r esultante. V: Tensión sobre el objeto golpeado.










4. EFECTO DE LAS DESCARGAS DESCARGAS EN LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN TRANSMISIÓN

El efec efecto to de una una desc descar arga ga atmo atmosf sfér éric icaa sobr sobree un sist sistem emaa eléc eléctr tric icoo cons consis iste te bási básica came ment ntee en orig origin inar ar voltajes muy superiores a los que pueden soportar los aislamientos causando así rupturas o flameos. Las sobretensiones sobretensiones en las líneas de alta tensión debidas debidas al efecto de las descargas descargas eléctricas atmosféricas pueden ocurrir por impacto directo o indirecto i ndirecto del rayo. A su vez las sobretensiones por impacto directo pueden ser clasificadas clasificadas en dos dos categorías, caracterizadas caracterizadas por por el evento que las produce 4.1 Impacto directo al conductor de fase: En el caso de una línea protegida el rayo directo al conductor de fase se conoce como falla de apantallamiento o falla de blindaje (Fig. 6 ).

Figura 6. Impacto sobre Fase












Si un rayo alcanza el conductor de una fase de una línea, causará en ésta un voltaje proporcional a su impedancia característica. Este voltaje viajará como una onda en ambas direcciones y podrá causar flameó en los aisladores al llegar a las torres.

Figura 7. Flameo causado por una descarga sobre el conductor de una fase

Secuencia de reacción a la descarga en el sistema: 1. En el caso de la línea línea no protegida protegida la secuen secuencia cia es similar similar solo que que al no existir existir cables protectores las reflexiones reflexiones ocurren sólo sólo desde el plano plano de tierra.










4.2 Impacto directo a la estructura o al cable protector: La falla que origina se conoce como descarga inversa o descarga retroactiva.










Figura 9.. Flameo inverso causado por una descarga sobre una torre.

Secuencia de de reacción a la descarga en el sistema: 1 Ci

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5. RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA.

La resistencia de puesta a tierra está directamente relacionada con la composición natural del suelo, (características físicas y químicas), es decir, que el suelo será de resistencia baja cuando sea altamente húmedo, con composición arcillosa arcillosa y con un alto contenido de minerales conductores. Al contrario se presentará una alta resistencia de puesta a tierra cuando el suelo sea de composición seca y altamente rocosa, lo que implica que la resistencia de puesta a tierra puede variar con la época del año. Lo anterior tiene tiene lógica, lógica, pues pues la corriente corriente asociada con la descarga descarga atmosférica al llegar llegar a la base de la estructura encuentra encuentra o no, según la composición del suelo un medio medio propicio para disipar la energía del rayo. Cuando una línea de transmisión tiene continuas salidas debido a flameos inversos por altas resistencias de puesta a tierra tierra en las estructuras, estructuras, se debe buscar buscar mejorar (bajar) la resistencia resistencia que la corriente asociada al rayo encuentra al llegar al suelo. Sabiendo el nivel ceráunico de la zona por por donde cruza la línea de transmisión, transmisión, podemos por medio de una gráfica probabilística probabilística de distribución distribución de rayos, rayos, calcular el valor de la corriente de rayo que aceptaremos nos produzca flameo inverso (la anterior decisión, se toma dependiendo










tensión) se propagan propagan hasta llegar llegar a la torre, bajan por por esta y se encuentran encuentran con una resistencia de puesta a tierra que disipa la energía asociada asociada con la descarga descarga atmosférica. atmosférica. (Figura 1 (a)). Lo mismo podemos decir cuando la descarga atmosférica cae directamente en la torre. (Figura 1 (b)).Según la descripción anterior, una descarga atmosférica, puede considerarse como una fuente de corriente capaz de de hacer fluir una corriente permanente permanente (la asociada con el rayo) a través de una impedancia. impedancia. La tensión tensión producida por la descarga descarga es producto de la corriente y de la impedancia a través de la cual fluye.












El problema se presenta cuando cuando la resistencia de puesta puesta a tierra de la torre es alta y la corriente del rayo “rebota” o sea que desarrolla desarrolla una alta tensión que eleva el potencial potencial de la torre de transmisión con relación a la resistencia de puesta a tierra. La descarga atmosférica que cae en el cable de guarda o directamente en la torre, al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar una alta resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) no encuentra un medio propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente, y hace que la torre alcance un alto potencial eléctrico, que aumenta súbitamente la tensión entre el brazo brazo de de la torre y el conductor conductor de fase, fase, hasta el punto punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de de la torre (que se encuentra a un alto potencial) y el conductor de base. base. Lo anterior es lo que que se conoce como flameo inverso y se llama así porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor conductor de fase, como puede apreciarse en la figura 11. Además la corriente a través de la torre también produce un campo magnético variable entre entre el conductor de fase y la torre, torre, que contribuye al flameo inverso. Según todo lo anter terior para obtener un número de salid lidas de la línea aceptable, la resistencia de










teór teóric icos os,, se se han han elab elabor orad adoo fór fórmu mula lass que que tiene tienenn bue buena na coin coinci cide denc ncia ia con con los los dato datoss med medid idos os.. La fórmula más utilizada es la de Jordan: Z t = 60 * ln(h r) + 90(r h) − 60 Zt: Impedancia característica de la torre en ohmios. h: Altura total de la torre en metros. r: Radio equivalente para diferentes diferentes tipos de torres utilizadas en Colombia

7. ONDA VIAJERA EN LÍNEAS POR DESCARGA ELÉCTRICA

Cuand uandoo la frec frecue uenncia cia de una señal ñal ele electro tromagn magnét étic icaa que viaja iaja por una líne líneaa es muy muy gran rande o, lo que es similar, cuando su duración es muy corta, se deben analizar en detalle la transmisión de la perturbación de los campos electromagnéticos a través del tiempo, mediante un análisis de la onda viajera.










Entre ntre las las sali saliddas pro produc ducida idas por por desca scarga rgas atmo atmossféri férica cass se deb deben disti isting ngui uirr dos tipo tipos: s: las las salid alidaas debidas a fallas de apantallamiento y las debidas a flameo inverso. 8.1 Salidas por fallas de apantallamiento Estas salid lidas se deben a la caída de un rayo dire irectam tamente sobre el conductor de fase, por falla lla del cable de guarda, encargado del apantallamiento de la línea. Un rayo de 30kA, , prod roduce en una línea con impedancia carac racter teríst ística de 400 ohmios, ondas de voltaje a lado y lado del punto de impacto de 6000 kV, que exceden por amplio margen el BIL de una lín línea de 220kV (aproximadamente de 1050kV). Por esta razón la probabilida idad de que haya aya flam flameo eo entr entree el cond conduc ucto torr y la cruc ruceta eta o entre ntre dos dos fas fases adyace yacenntes tes y se pres resente nte una una pos posteri terior or salida de la línea, es muy cercana al 100% si falla el apantallamiento. 8.2 Salidas por flameo inverso










que conducirá a una correcta localización de los cables de guarda y una adecuada selección de la puesta a tierra de las estructuras.

REFERENCIAS

(1) J. A. Martínez Velasco; F. Castro Aranda., “Análisis de sobretensiones de origen atmosférico en líneas aéreas de transporte,” Departamento de Ingeniería Eléctrica, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona – España (2)J. A. Martínez Velasco; F. Castro Arnada, “Modeling of overhead transmission lines for lightning studies,” International Conference on Power Systems Transients, Montreal – Canada, June 2005. (3) “Investigations on lightning discharges and on the electrical field of thunderstorms”. C.T.R. Wilson, Philosophical Tr., Royal Society, 1920. (4) PETERS, J.F. “The Klydonograph”. Electrical world, abril, 1924.

Fallas en Lineas de Transmision Por Descargas Atmosfericas

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