INTRODUCCIÓN Las subestaciones eléctricas, como parte de un sistema eléctrico, están sometidas a los esfuerzos dieléctricos producidos por las sobretensiones que se presentan, éstas se pueden agrupar en tres categorías principalmente: las debidas a descargas atmosféricas o rayo, las debidas a las maniobras de los interruptores (apertura o cierre) y las que ocurren a la frecuencia del sistema, que pueden ser de larga duración, en comparación con las dos primeras que q e son de naturaleza nat rale a transitoria. transitoria 2
Las sobretensiones pueden alcanzar valores tales que dañen al aislamiento de los equipos, razón por la que se deben proteger. En el caso de las sobretensiones de origen atmosférico, también conocidas como por rayo, se pueden presentar t en la l instalación i t l ió en dos d formas: f como descargas d directas, o bien, inducidas a través de las líneas de transmisión En el caso de las descargas directas, transmisión. directas debido al espacio relativamente pequeño que ocupan, la probabilidad de ocurrencia es baja j y se relaciona con el nivel isoceráunico o la densidad de rayos a tierra, se debe adoptar una protección similar a la que se aplica en las líneas de transmisión, que se conoce como el "blindaje de la subestación".
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El fenómeno de la descarga es un proceso de dos pasos: En el primer paso, el aire que circunda la nube es ionizado y pequeñas descargas, referidas como líderes, distribuyen o llevan la carga al aire. Estas descargas líder tienen bajos valores de corriente relativamente y se propagan al azar y ti tienen una longitud l it d de d 10 a 80 metro. t E Eventualmente t l t constituyen un canal de descarga que se puede acercar lo suficiente a un objeto j en tierra y la descarga g se dirige g a este objeto. Para las sobretensiones de rayo inducidas por las líneas, l las d maniobra de i b d interruptores de i y las l temporales, l l la protección se hace, principalmente, por medio de apartarrayos entonces, apartarrayos, entonces se aplican los conceptos de "la la coordinación de aislamiento". 4
PROTECCIÓN DE SUBESTACIONES Hablando en términos generales, un sistema eléctrico de potencia consiste de centrales generadoras, las subestaciones eléctricas y las líneas de transmisión. Las centrales eléctricas y las subestaciones eléctricas que están totalmente cerradas, son prácticamente inmunes a las descargas atmosféricas directas, requieren por supuesto protección contra las ondas viajeras de sobretensión que entran a través de las líneas de sobretensión. Las subestaciones tipo exterior y las áreas externas de equipo primario de las mismas, así como las líneas de transmisión, requieren de la protección contra los impactos directos de rayo y contra las ondas viajeras de sobretensión que llegan de otras partes del sistema, en donde ha habido descargas directas.
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La protección contra los impactos directos del rayo se logra por medio de lo que se conoce como el blindaje, de manera que los rayos impactan al blindaje que está conectado a la red de tierras de la instalación instalación. Las líneas de transmisión tienen un blindaje a base de cables de guarda y las subestaciones eléctricas tipo exterior, tienen un blindaje a base de cables de guarda, guarda bayonetas y/o mástiles. 6
El blindaje de las subestaciones eléctricas Debido al área relativamente limitada que ocupa una subestación eléctrica tipo exterior, la frecuencia de las descargas atmosféricas directas es baja, sin embargo, los daños que puede ocasionar una descarga directa a la subestación, b t ió pueden d causar fallas f ll permanentes t y, consecuentemente, muy costosas; por lo tanto, una subestación se debe blindar contra descargas g directas. Las subestaciones tipo exterior están blindadas contra descargas directas por medio de cables de guarda, bayonetas mástiles. mástiles Para diseñar este blindaje se pueden usar básicamente dos métodos: • Por medio de ángulos fijos. • Por medio de modelos electrogeométricos. 7
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El método de los ángulos fijos. fijos Por este método se p puede calcular el blindaje j con bayonetas o mástiles o con cables (hilos) de guarda, y es una practica estándar en la industria proporcionar una f forma d protección de t ió contra t descargas d di t directas, ya sea por medio de bayonetas o mástiles o por medio de cables de guarda; en cualquier caso, están eléctricamente conectados a la malla o red de tierras de la subestación. Las bayonetas pueden estar en postes autosoportados, o bien, en las terminales (parte superior) de las estructuras de la subestación. subestación 9
Los métodos más comunes de análisis del blindaje j suponen que las bayonetas y los cables de guarda proyectan una zona de protección al equipo que se encuentra t d b j de debajo d ellos, ll en la l forma f d un cono. de Benjamín Franklin estableció que un ángulo para el cono debería ser de aproximadamente 60 grados. grados El valor de este ángulo ha ido decreciendo a través de los años, hasta llegar en muchos casos, sin cálculo previo a un valor aceptado de 30 grados. Un ejemplo de una zona típica de protección usando el método del cono se muestra en la siguiente figura. figura Este método, método denominado del cono de protección, sugiere que para proporcionar una protección completa a un área externa, se debe colocar un mástil o bayoneta cerca del centro del área por proteger a una altura suficiente como para proporcionar la protección deseada.
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Este método tiene algunas objeciones, bj i por tratarse t t d de un cálculo determinístico que no toma en consideración id ió la l naturaleza t l aleatoria de las descargas atmosféricas, y esto hace que en ocasiones i f ll all no falle tomar en cuenta que la corriente del rayo varía en magnitud, i d pero también bié en ángulo de incidencia, y que el nivel básico de aislamiento al impulso del equipo de la subestación se debe considerar para predecir si un aislamiento puede fallar para una cierta descarga.
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Cálculo del blindaje con bayonetas por el método de los ángulos fijos L Las b bayonetas t con electrodos l t d d acero, cuya función de f ió principal es la concentración de electrones de predescarga para su descarga a tierra a través de la predescarga, puesta a tierra de la subestación, deben estar terminadas en punta y se deben instalar en los puntos más altos de las estructuras de las subestaciones. El cálculo con este medio está basado en el método de los ángulos fijos. La zona de protección que brinda una bayoneta se calcula a partir de la altura máxima obtenida entre estructura y bayoneta, y considerando que el ángulo de protección medido con relación al eje de la bayoneta no debe exceder, en ningún caso, de acuerdo a lo indicado antes, a 30º para una bayoneta aislada, aislada como se muestra en la figura siguiente: 12
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Cuando la distancia entre estructuras y la altura de las mismas es tal que las zonas de protección obtenidas por las bayonetas se cortan sobre el plano de los objetos por proteger, entonces los ángulos de protección permisibles pueden llegar a ser de 45 45º. Siempre se deberá hacer un cálculo de verificación, ya que este concepto no es probabilístico y sólo da una idea al margen de protección que proporciona. De una manera que se puede decir que no toma en cuenta la probabilidad de ocurrencia de una magnitud de corriente del rayo y, y entonces, entonces se dice que el equipo está protegido o no protegido usando este método.
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EJEMPLO
Calcular la distancia horizontal que protege una bayoneta de 1.5 15 m montada sobre una estructura que tiene una altura sobre el nivel del suelo de 15.0 15 0 m de altura, altura si la altura del plano por proteger es de 5.0.
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SOLUCIÓN La altura efectiva y sobre el plano de protección es:
Y = 15.0 + 1.5 − 5.0 = 11.5 Entonces: tan 30° =
X Y
Siendo X la distancia máxima horizontal al objeto por proteger.
X = Y tan 30° = 11.5 x tan 30° = 6.64 m
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EJEMPLO
Si la altura del objeto por proteger es S=5 m y está localizado a 15 m del mástil que contiene al hilo de guarda, calcular la altura a la que éste debería estar. H=
1 1 ( 2 x 5 + 3 x 15) + (52 + 4 3 x 15 x 5 3 3
H = 20.0 m
En caso de que q e se usen sen dos hilos de guarda, g arda la representación y expresión correspondiente sería la siguiente:
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SOLUCIÓN
H = f ( l, S)
2 1 2 1 l 2 H = S+ S + ( ) 3 9 3 2
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SOLUCIÓN La altura efectiva y sobre el plano de protección es:
Y = 15.0 + 1.5 − 5.0 = 11.5 Entonces: tan 30° =
X Y
Siendo X la distancia máxima horizontal al objeto por proteger.
X = Y tan 30° = 11.5 x tan 30° = 6.64 m 20
En una subestación eléctrica, si la distancia EJEMPLO entre apoyos de los hilos de guarda es de 20 m y la altura al punto más bajo de los hilos de guarda de 9 m, m calcular la altura a que deben estar estos hilos de guarda. SOLUCIÓN 2 1 1 20 2 2 H= x 9 + x 9 + ( ) = 12.63 m 3 9 3 2
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EJEMPLO Determinar a qué altura se deben localizar los hilos de guarda en una subestación, si se desea d proteger un equipo i que estará á localizado a 12.5 m con respecto a la posición del hilo de guarda y la altura a la parte viva es de 9.0 m sobre el nivel del suelo. SOLUCIÓN La máxima altura protegida en función de la altura del objeto por proteger y de su distancia al hilo de guarda, se calcula como: 1 1 2 H = ( 2S + 3.l ) + S + 4 3.l.S 3 3 S = 9.0 m Donde: l = 12.5 m H=
1 1 2 ( 2 x 9 + 3 x 12.5) + 9 + 4 3 x 12.5 x 9 3 3
H = 23.0 m 22
Un interruptor se localiza en el espacio entre dos hilos de g guarda separados p entre sí p por EJEMPLO una distancia de 26.5 m, teniendo 10.0 m sobre el nivel del suelo. Calcular la altura a la que debe instalarse el hilo de guarda, guarda si la altura más baja del hilo de guarda es S = 10.0 m
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En este ejemplo, se observará que para cálculos del blindaje es posible considerar la SOLUCIÓN máxima altura a parte viva con respecto al nivel del suelo del objeto por proteger como la altura más baja que pueda tener el conductor de guarda. con lo que la fórmula general para este caso es aplicable sin mucho error, es decir: Siendo:
2 S2 1 l 2 H = S+ + ( ) 9 3 2 3
S = 10.0 m l = 26.5 m 2
2 102 1 ⎛ 26.5 ⎞ H = x 10 + + ⎜ ⎟ = 15.01 m 3 9 3⎝ 2 ⎠
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COMENTARIOS El método ét d de d cálculo ál l mencionado i d anteriormente, t i t está tá basado en la protección de los equipos principales de la subestación contra descargas g directas p por rayo, y y las expresiones matemáticas indicadas para el cálculo de la altura a la que deben de estar los hilos de guarda, se obtienen a partir de un modelo electrogeométrico de blindaje en las subestaciones eléctricas, que es semejante al modelo electromagnético usado para la protección contra d descargas atmosféricas t fé i en las l líneas lí d transmisión. de t i ió Los hilos de guarda también se les conoce en algunos países como cables de tierra, tierra generalmente son de acero y se instalan encima de los conectores y conductores de fase, en un número y disposición tal que, el ángulo formado por la vertical con la recta que une al cable de guarda con el conductor de una fase exterior sea inferior a 45º y preferentemente 30º.
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Estos hilos de guarda se instalan directamente sobre la estructura,, y p por lo g general son de acero g galvanizado,, con una sección no inferior a 50 mm2; usándose conectores para unirlos a la estructura y se conectan a tierra por lo menos en dos puntos con cable de acero galvanizado, también con una sección no inferior a 50 mm2.
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2. Método del modelo electrogeométrico. En particular para las subestaciones eléctricas de alta y extra alta tensión (mayores de 230 kV), se ha observado que el cálculo del blindaje por el método de los ángulos fijos
no
resulta
adecuado,
por
lo
que
para
las
subestaciones eléctricas, se optó por un método usado para el diseño del blindaje en las líneas de transmisión, que se conoce como "el modelo electrogeométrico", que se desarrolló d lló en los l 60’s 60’ y que ha h tenido t id a lo l largo l d l del tiempo algunas variantes en su aspecto conceptual, publicándose bli á d en 1971 por ell Edison Edi El t i Institute Electric I tit t de d Estados Unidos. 27
De acuerdo con el modelo electrogeométrico, la distancia de impacto de un rayo (es decir, la distancia sobre la cual desciende el canal principal del rayo para tocar un objeto), es proporcional a la densidad de carga del canal principal de descarga; sin embargo, la corriente de retorno es proporcional a la densidad de carga precedente al canal principal. principal El modelo electrogeométrico original fue modificado y simplificado para su aplicación a edificios y subestaciones, esta versión simplificada del modelo electrogeométrico se usa en el análisis del comportamiento t i t d l blindaje del bli d j d de l las subestaciones b t i eléctricas y se le conoce como "el método de la esfera rodante".
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El método de la esfera rodante toma en cuenta los valores del nivel básico de aislamiento (NBI) del equipo a proteger contra descargas, para un valor dado de la corriente del rayo, la relación entre la corriente del rayo y el NBI del equipo está dada por la ecuación:
2 NBI IS = Zo Siendo: Zo = Impedancia característica de la línea en ohms. IS = Corriente del rayo en KA. KA NBI= Nivel básico de aislamiento al impulso en kV.
29
La distancia L di t i de d impacto i t (S) y la l corriente i t d dell rayo (IS) están tá relacionadas por la siguiente ecuación: S = 8(IS) 0.65 Donde: S = Distancia de impacto en metros
30
La distancia de impacto define una esfera de radio (S) que toca el mástil y tiene una distancia (S) sobre el nivel del suelo, como se muestra en las figuras siguientes:
31
El arco de radio (S) define una zona de protección para un rayo que tiene una magnitud IS. La zona debajo del arco está protegida contra la corriente del rayo IS, las descargas de magnitud IS que caen fuera del arco (a la derecha o a la izquierda en la figura anterior), inciden sobre la tierra. tierra Las descargas de magnitud IS que descienden dentro del arco inciden sobre la arco, bayoneta o mástil. 32
33
Por ejemplo, ejemplo para la subestación de 161 kV con NB =750 kV, se encontró que para IS=5 KA, la distancia de impacto es: S=22.77 m y se supone una altura del mástil de hm=16.5 m y una altura del equipo por proteger de he=5.0 m, entonces el radio de la zona protegida es:
2
1/ 2 2 1/ 2 2 2 r = (( 22.77) −( 22.77 − 16.5) ) − (( 22.77) −( 22.77 − 5.0) )
r = 7.65 m
34
ANÁLISIS DEL USO DE MÁSTILES DE BLINDAJE MÚLTIPLES Y CABLES DE GUARDA En la E l sección ió anterior, t i se estudió t dió la l zona de d protección t ió para un sólo mástil o bayoneta de blindaje, usando el método de la esfera rodante. En una subestación típica, p , se requiere generalmente más de un mástil de blindaje y frecuentemente del uso de cables de guarda entre los mástiles o estructuras de la instalación, instalación usando este mismo método de la esfera rodante, se puede analizar también el caso para la combinación de múltiples mástiles con o sin cables bl de d guarda. d g altura están cerca uno del Cuando dos mástiles de igual otro, el efecto de blindaje se mejora más allá del blindaje proporcionado por dos mástiles distantes uno del otro.
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M2
M1
hm= ALTURA DEL MÁSTIL h b= ALTURA DEL BUS
wm= LARGO Lm= ANCHO M3 Lm
ωm
M4
hb
hm
BLINDAJE DE UNA SUBESTACIÓ N CON 4 MÁSTILES VERTICALES M1, M2, M3, M4
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dm= DISTANCIA DIAGONAL CENTRO MÁSTILES 0 rs
rs A
M1
B
M4
hm
hb dm
SECCIÓ N TRANSVERSAL A TRAV ÉS DE M1 Y M 4
37
Cuando los mástiles están muy cercanos uno de otro "la esfera rodante" no puede girar rodante completamente alrededor de cada mástil antes de contactar t t all otro t mástil. á til Esto resulta como un área de p protección adicional entre los mástiles, como se muestra en la sección doblemente achurada de la siguiente figura:
38
La zona de protección desarrollada por un cable de guarda horizontal y soportando dos mástiles (o los capiteles de la estructura) de la misma altura,, se muestra en la siguiente figura:
39
LA PROBABILIDAD DE FALLA En un blindaje práctico y económico para una subestación eléctrica, hay áreas que tienen equipo energizado y que no están blindadas o protegidas contra descargas directas. Estas áreas no protegidas tienen una probabilidad estadística de ser impactadas por un rayo. Dado que las corrientes del rayo de un valor menor que (IS) no deberían causar daño en el equipo, equipo entonces, entonces se calcula la probabilidad de falla para las corrientes que excedan a un valor de (IS) que puedan impactar al equipo no protegido. La probabilidad b bilid d se puede d calcular l l usando d ell siguiente i i t procedimiento: 40
Ø La mínima distancia de impacto (sm) para la cual el sistema de blindaje j debe p proporcionar p protección a p las áreas no protegidas, se determina gráficamente. Ø La corriente de descarga (Ism) para la mínima distancia de impacto (sm), se calcula usando la siguiente ecuación: 1.54
ISm = 0.0047S m
Ø La p probabilidad q que las descargas g dentro del área no protegida puedan producir una falla de aislamiento (Pf), se calcula de la manera siguiente:
Pf = P( 〈Ism) − P( 〈Is )
41
Donde:
P( 〈Ism) = 1− P(Ism) P( 〈Is ) = 1− P(Is )
La probabilidad de que una cierta corriente de pico sea excedida por cualquier descarga, se calcula usando la siguiente i i t ecuación: ió 1 P( I ) = 2 .6 ⎛ I ⎞ 1+ ⎜ ⎟ ⎝ 31 ⎠ Donde: P(I)= Probabilidad de que el pico de la corriente en cualquier descarga exceda a I. I = Valor V l especificado ifi d de d la l corriente i t de d descarga. d 42
Ø El número de descargas esperado que impacte el á área no protegida t id cada d año, ñ se calcula l l basándose b á d en el nivel isoceráunico en el sitio de instalación de la subestación, usando la siguiente g ecuación:
N = 11.97 x10 −8 (T )( A) Ø Donde: N = Número de descargas a tierra dentro del área no protegida p g por año. p T = Nivel isoceráunico promedio anual. A = Área no protegida en m2.
43
Ø El índice de fallas para el aislamiento dentro del área no protegida, se calcula usando la siguiente ecuación: F =
1
P f (N ) Donde: para el aislamiento dentro del área F = Índice de fallas p no protegida en años/falla. Pf = Probabilidad de que las corrientes de descarga dentro del área no protegida provoque falla de aislamiento. N = Número de descargas a tierra dentro del área no protegida por año.
Para subestaciones tipo p distribución,, se p puede aceptar p índices de 25 a 50 años por falla, y para subestaciones de potencia, índices de 100 años/Falla son adecuados. La inversa de F se conoce como el índice especifico de salidas (SQR) y se expresa en fallas/año. SQR = Specific Outage Rate. 44
PRINCIPIOS BÁSICOS DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO L coordinación La di ió de d aislamiento i l i t comprende d la l selección l ió de la resistencia dieléctrica del equipo y su aplicación, con relación l ió a las l t tensiones i que pueden d aparecer sobre el sistema, para las cuales el equipo está diseñado y tomando en consideración las características de los dispositivos de protección disponibles, así como reducir a un nivel económico y operacional aceptable la probabilidad de que los esfuerzos por tensión resultantes e impuestos al equipo puedan causar daño al aislamiento del mismo o equipo, afectar la continuidad del servicio. 45
ESFUERZOS DE TENSIÓN Y OTROS ESFUERZOS QUE AFECTAN EL AISLAMIENTO Las siguientes clases de esfuerzos dieléctricos se pueden presentar durante la operación de un equipo: Tensiones a la frecuencia del sistema bajo condiciones normales de operación, es decir, que no excedan de la tensión máxima de diseño del equipo. Ö Sobretensiones temporales. Ö Sobretensiones por maniobra. Ö Sobretensiones por rayo o por descarga atmosférica. 46
a) Nivel de aislamiento normal. Que están dados en función de la tensión máxima de diseño del equipo y se expresan en forma de tablas en las diferentes normas nacionales e internacionales. La selección de un determinado nivel de aislamiento en función de la tensión nominal del sistema y de las condiciones particulares que se pueden presentar en una i t l ió de instalación, d acuerdo d a la l experiencia i i práctica, á ti como por ejemplo: instalaciones expuestas a las sobretensiones de origen g atmosférico,, a la contaminación ambiental p puede conducir a una correcta aplicación de las tablas recomendadas por las normas internacionales.
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b) Nivel de aislamiento pleno (a 100%) Dentro de las posibilidades de las condiciones de funcionamiento del neutro de las instalaciones eléctricas, aquellas que requieren nivel de aislamiento pleno o al 100%, son las siguientes: Ö Sistemas que funcionan con el neutro aislado. aislado Ö Sistemas que funcionan con el neutro conectado a tierra a través de bobinas de extinción. Ö Sistemas Si t que funcionan f i con ell neutro t conectado t d a tierra a través de resistencias de valor más o menos elevado. Estas condiciones influyen sobre los valores del coeficiente de puesta a tierra o factor de conexión a tierra y, consecuentemente, co secue te e te, sob sobre e los os valores a o es de la a te tensión s ó nominal o a de los aparatos de protección contra las sobretensiones. 48
c) Nivel de aislamiento reducido. Para los aparatos o máquinas instaladas en sistemas con neutro sólidamente conectado a tierra, se pueden adoptar niveles de aislamiento reducidos. En los casos q que las sobretensiones de origen interno sean menores, se verifica para las sobretensiones por rayo y se pueden emplear apartarrayos t con niveles i l d operación de ió a las l ondas d d de impulso relativamente más bajos. Por lo P l general, l ell coeficiente fi i t de d puesta t a tierra ti d un de sistema con neutro sólidamente conectado a tierra, es menor que la unidad (se puede suponer un valor del orden de 0.8 o bien 80%). Para los apartarrayos, se puede suponer una tensión nominal inferior a la del sistema considerado, por lo que se puede obtener sin dificultad un nivel de protección inferior. 49
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ASPECTOS ESPECÍFICOS DE LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN LAS SUBESTACIONES ELÉCTRICAS É
La protección contra sobretensiones de los aparatos y equipos en las subestaciones eléctricas, debe tomar en consideración los distintos tipos de esfuerzos dieléctricos que se presentan, ya sea por descargas directas o inducidas a través de las líneas entrantes. Por esta razón, la coordinación de aislamiento en las subestaciones eléctricas, debe considerar los siguientes aspectos: • Protección contra descargas directas
Ø Instalación de Bayonetas para blindaje. Ø Uso de hilos de guarda (especialmente en áreas grandes).
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• Selección de apartarrayos Ø Para las condiciones de máxima sobretensión durante falla en los sistemas con neutro a tierra se debe de falla, terminar el coeficiente de conexión a tierra. Sobretensión máx. de línea a tierra C fi i et de Coeficient d conexión ió a tierra ti (K) = Tensiónmáx. normal L − L
Ø Ciclo térmico del apartarrayos para ondas por rayo y por maniobra.
• Clase de apartarrayos Ø El tipo estación proporciona mejor protección, el tipo intermedio resulta mejor desde el punto de vista económico. 52
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54
BASES PARA LA SELECCIÓN DE APARTARRAYOS La selección de un apartarrayos para protección contra sobretensiones de origen atmosférico y por maniobra de interruptores debe estar de acuerdo con el criterio de protección t ió establecido t bl id para una instalación, i t l ió en función f ió del d l criterio de coordinación de aislamiento adoptado, es decir, se debe verificar que un tipo de apartarrayos cumpla con los requerimientos de la línea, transformador, aisladores, etcétera, en la subestación. Las características importantes para la selección de un apartarrayos son: a)Tensión nominal. b)Corriente nominal de descarga. 55
a)TENSIÓN NOMINAL APARTARRAYOS. APARTARRAYOS
DEL
Es el valor efectivo de la tensión alterna de frecuencia fundamental (60 Hz) a la cual se efectúa la prueba de trabajo, y que puede aparecer en forma permanente en el apartarrayos sin dañarlo. A esta tensión, el apartarrayos extingue la corriente de frecuencia fundamental, por lo que se conoce también como "Tensión de extinción del apartarra os" apartarrayos". La tensión nominal del apartarrayos se calcula de acuerdo con la expresión: Vn= Ke Vmáx 56
Donde: Vmáx = Tensión máxima del sistema entre fases (se refiere al equipo) en KV. Vn = Tensión nominal del apartarrayos en KV. Ke = Factor de conexión a tierra. El factor Ke depende de la forma en como está conectado el sistema a tierra, considerando la falla de línea a tierra que produce la sobretensión en las fases no falladas. De acuerdo con esto, esto la relación de reactancias se secuencia cero a secuencia positiva (Xo/X1) y la relación Ro/X1.
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Para una determinación inicial de los NBI y NBS en la selección del equipo, equipo se pueden emplear las siguientes expresiones: Aislamientos no autorecuperables (aislamientos internos) no afectados por condiciones ambientales. a)Ondas por maniobra de interruptores (switcheo). NBS= 1.15 x (tensiónde arqueo del apartarray os por impulsode maniobra)
O también: NBS= 1.15 x ( valor de la onda máxima p por impulso p de maniobra)
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b) Por P rayo. NBI= 1.2 x ( Tensión residual de l a partarrayo s para una onda impulso de 1.2 / 50)
NBI= 1.2 x ( Tensiónde arqueo para una onda de 1.2 / 50)
O también: NBI = 1.043 x (Tensión de arqueo por frente de onda del apartarrayos )
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El valor de 1.15 en el cálculo del NBS y de 1.2 en el cálculo del NBI se denominan "relaciones de protección" y representan los márgenes de protección. El valor de 1.043 se obtiene como el cociente de 1.2/1.15, donde do de 1.15 5 es e el valor a o de la ao onda da co cortada ada a 3 μseg μseg. de u una a onda de 1.2/50 en por unidad del NBI tomado como 1.15. En sistemas de extra alta tensión, tensión el comité de transformadores de IEEE recomienda que la relación de protección anterior p p para el frente de onda se reduzca a 1.10 por unidad en lugar de 1.15. 60
Aislamientos auto-recuperables sujetos a condiciones ambientales (externos). En este caso, las relaciones anteriores cambian como sigue: a) Por maniobra de interruptores. NBS=
1.15 ( 0.96 δr)n
x ( Tensiónde arqueo del apartarray os por impulsode maniobra)
O también: NBS=
1.15 x n ( 0.96 δr)
( valor de la onda máxima por impulsode maniobra)
Recuérdese que: n = 1.08 − 0.035 d d = Distanciamínima de no arqueo entre conductory estructuraen pies.
Las expresiones anteriores ya consideran el NBS corregido por humedad. 61
b) Por impulso de rayo Como se sabe, por impulso de rayo el coeficiente de densidad relativa del aire δr el exponente n = 1 1.0 0 y además el NBI, aún cuando está determinado para condiciones en seco, no se ve alterado en forma significativa por humedad. 1.2 NBI= x ( Tensión residualdel apartarray os ( 0.96 δr) o tensión de arqueo para una onda de 1.2 / 50)
O también: NBI=
1.043 x ( Tensiónde arqueo para frente de onda apartarray os) ( 0.96 δr)
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Como se ha mencionado anteriormente, anteriormente la tensión de descarga de un apartarrayos es una función de la corriente de descarga, la cual a su vez es una función de la impedancia característica de la línea Zo, la tensión crítica de flameo de polaridad negativa para la línea y de la característica tensión-corriente p para el apartarrayos. p y Y como se estudió anteriormente, la máxima corriente de descarga se puede calcular en forma conservativa como:
2 ( NBI ) − Vr Id = Zo Aunque desde el punto de vista de los fabricantes también se puede calcular en condiciones ligeramente más severas como:
Idd =
2 (VCF ) − Vr Zo + R A
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Donde: VCF = Tensión T ió crítica íi d de flflameo para lla lílínea en KV (polaridad negativa). Vr = Tensión residual del apartarrayos en KV KV. Ra = Resistencia del apartarrayos. Zo = Impedancia característica de línea en ohms. Algunos valores de Id en función de las tensiones máximas del sistema, se dan en la tabla siguiente:
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TABLA 4 VALORES DE CO RRI ENTES DE APARTARRAYO S TENSI Ó N NO M I NA NAL ( KV)
TENSI Ó N M ÁXI M A ( KV)
69 115 230 345 400 500
72. 5 121 245 362 420 550
I D ( KA)
VALORES A ORES DE FABRI CA
5 5 5 7 8 10
5 5 5( 10, 10 20) 10( 20 KA) 10( 20, 40) 10( 20)
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EJEMPLO Determinar los niveles básicos de aislamiento (NBI) al impulso de rayo y por maniobra de interruptores (NBS), para el equipo principal de una subestación eléctrica de 230 kV nominales, nominales instalada a 1000 M.S.N.M., M S N M para la que se determinó que la máxima onda por maniobra de interruptores es de 2.5 p.u. si se supone que se usarán apartarrayos con las características eléctricas que se indican a continuación y que la instalación está sólidamente conectada a tierra.
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CARACTERÍÍ STI CAS DEL APARTARRAYO S
Tensión Nomina l ( kV r. m. s.) Tensión d e a rq ueo p or f rent e d e ond a ( KV) y ond a d e 1200 kV/( micr o seg ) Tensión má xima d e a rq ueo a 100% con ond a d e 1.2x50 ( kV crest a ) Tensión d e a rq ueo p or imp ulso d e ma niob ra ( kV crest a )
ALTERNATI VA ( 1)
ALTERNATI VA ( 2)
ALTERNATI VA ( 3)
180
192
240
530
560
684
400
427
600
400
426
358 400 452 550
382 427 482 585
567
Máxima t ensión residual ( kV) ( IR) con una onda de corrient es de: 5 KA 10 KA 20 KA 40 KA
476 535 605 724
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SOLUCIÓN 1) Tensión y corriente nominal del apartarrayos. Para determinar la tensión nominal del apartarrayos entre las tres alternativas posibles que ofrece el fabricante, se procede como sigue: Vn= Ke Vmáx Para un sistema efectivamente aterrizado: Ro/ X1 ≤ 1.0 y Xo / X1 ≤ 3.0 el factor Ke = 0.8
Y la tensión máxima para el equipo, según tabla es 242 kV,, p por lo q que: Vn = 0.8 x 242 = 193.6 KV
68
Suponiendo un NBI = 900 KV y que la línea de llegada a la subestación tiene una impedancia característica de 300 ohms, en el caso más crítico la corriente de descarga es: Id =
2 NBI 2 x 900 ; Id = = 6 KA Zo 300
Por lo que se selecciona la alternativa (2) con tensión nominal del apartarrayos de 192 kV y 5 KA, la máxima onda de sobretensión por maniobra de interruptores con un factor f t de d sobretensión b t ió de d 2.5 2 5 es: Emáx =
2 x 245 x 2.5 = 500.10 KV 3 69
2) Valores para coordinación de aislamiento aislamiento. Con estos valores se calculan los siguientes valores de coordinación usando apartarrayos. apartarrayos a) Para aislamientos no-autorecuperables (internos) nivel bá i por maniobra básico i b requerido: id NBS= 1.15 x 426 = 489.9 KV ≅ 490 KV
Los niveles básicos de aislamiento al impulso (rayo) requeridos son: NBI= 1.2 x 382 = 458.4 KV NBI= 1.2 x 427 = 512.4 KV
Y de acuerdo con: NBI= 1.043 x 560 = 584.08 KV 70
b) Para aislamientos auto-recuperables (externos), nivel básico p por maniobra requerido: q NBS=
1.15 ( 0.96 δr)n
x ( Tensiónde arqueo del apartarray os por impulsode maniobra)
A 100 M.S.N.M.
δγ = 0.880
n = 1.08 . . . 0.035 0 035 d; d en pies
A 230 KV, la distancia mínima de no arqueo es: d = 180 cm = 6 pies Para esta tensión, se puede tomar un valor de ligeramente inferior al valor máximo que es la unidad o sea del orden de 0.8 a 0.9 por lo que sí se hace: n = 0.140 x 6 = 0.840 1.15 NBS= x 426 = 564.40 KV ( 0.96 x 0.880) 0.840 71
NIVEL POR RAYO Los niveles básicos de aislamiento al impulso (rayo) requeridos son: NBI= 1.2 x 382 = 458.4 KV
NBI= 1.2 x 427 = 512.4 KV
NBI= 1.043 x 560 = 584.08 KV
NIVEL BÁSICO POR RAYO En 230 KV se puede despreciar el efecto de humedad por lo que:1.2 NBI= NBI
x ( Tensiónresidualdel apartarray os tensiónde arqueo para una onda de 1.2 / 50)
δr 1.2 NBI= x 382 = 520.90 KV 0.880
72
Y también: 1.043 NBI= x ( Tensiónde arqueo por frente de onda) δr NBI=
1.043 x 560 = 663.72 KV 0.880
c) Sin usar apartarrayos para aislamientos autorecuperables (externos)
NIVEL BÁSICO POR MANIOBRA DE INTERRUPTORES 1.2 1.2 NBS = x 500.1 = 681.95 KV NBS= x Emax 0.880 δr Los resultados se pueden resumir en la tabla siguiente:
73
N I VELES
DE AI SLAM I ENTO REQ UERI DO S EN LA SUBESTACI Ó N DE
230
NBI TI PO DE AI SLAM I ENTO
Int e r no ( no a ut o r e cup e r a b le ) Tr a nsf o r ma d o r Pa r t e i nt e r i o r y b o q ui ll a s ( Tr a nsf ) Ext e r no ( a ut o - r e cup e r a b le ) Ai sl a d o r e s d e b us. Cuchi l la s d e sco ne ct a d o r a ss. Int e r r up t o r Bo q uil la s p a r t e e xt e r na . ( Tr a nsf . ) Bo q uil la s t r a nsf . Inst r ume nt o s.
REQ UERI DO ( KV)
KV
VALO RES NBS REQ UERI DO
SELECCI O NADO S PARA EL EQ UI PO
Co n- a p a r t . ( KV)
Si n a p a r t . ( KV)
NBI ( KV)
NBS ( KV)
584.08 584.08
490 490
-----
750 750
620 *
663.72 663.72 663.72 663.72
564.40 564.40 564.40 564.40
768.27 768.27 768.27 768.27
900 900 900 750
* * * *
663.72
564.40
768.27
750
*
* Va lor e s no e st a bl e cidos e n NBS e n nor ma s.
74
75
Para una protección más efectiva, los apartarrayos se deben instalar tan cerca como sea posible del objeto por proteger en la figura se muestra la instalación de los proteger, apartarrayos sobre una ménsula en el transformador. 76
TABLA 5 PENDI ENTE DE FRENTE DE O NDA PARA APARTARRAYO S
TENSI Ó N N O M I NAL DEL SI STEM A
PENDI ENTE DEL FRENTE DE O NDA
Menor d e 3 kV
10 KV/micro seg und o
3 - 240 KV
( 100/12) KV/micro seg. p or cad a kV nomina l d el a p a r t a r ra y os
Má s d e 240 kV
1200 kV/micro kV/micro-seg seg
77
Determinar la pendiente o índice de crecimiento de la tensión de prueba para un apartarrayos EJEMPLO que se instalará en una subestación de 230 kV, kV cuyos elementos se consideran con neutro sólidamente conectado a tierra: SOLUCIÓN La tensión nominal del apartarrayos es: Vn= Ke Vmáx Para 230 kV, se tiene una tensión máxima de 245 kV. V = 0.8 x 245 = 196 KV Vn
Si se selecciona un apartarrayos con 100% de protección, la tensión nominal sería de 240 kV, y entonces: S = 100 x 240 = 2000 KV/ microseg 12
Aunque normalmente para esta tensión nominal se toma una pendiente de 1200 KV/micro-seg. 78
TABLA 6 CO RRI ENTES DE DESCARG A EN FUNCI Ó N DE LAS TENSI O NES NO M I NALES DEL SI STEM A TENSI Ó N DEL SI STEM A KV 15 34. 5 69. 0 115. 0 138. 0 230. 0 345. 0 500. 0 700. 0
CO RRI ENTE DE DESCARG A AM PERES * * 5,000 5,000 5,000 10, 000 10, 000 15, 000 20, 000
* Por lo ge ne ra l no t ie ne n un blinda je e f ect ivo
En el caso de instalaciones que no estén blindadas en forma efectiva (por lo general de 138 kV y menores), la instalación se puede ver sometida a tensiones extremadamente altas, con índices de elevación (pendientes) del orden de 1000 KV/micro seg. Por otro lado, para descargas cercanas a los apartarrayos, se pueden tener condiciones severas.
79
Tensión
Tensión
Nominal
Máxima
del
por maniobra
Máxima tensión de restablecimiento con onda de corriente de 8x20
μseg.
KV - CR 118 142
1.5 KA 117 141
3.0 KA 123 147
5.0 KA 127 153
10.0 KA 136 163
15.0 KA 143 171
20.0 KA 150 180
40.0 KA 174 209
78 84
154 165
153 164
160 272
166 178
177 191
186 200
195 210
227 244
90 96
177 189
176 187
184 196
191 203
204 218
214 228
225 240
261 278
108 120
213 236
211 234
220 245
229 254
245 272
256 285
268 300
313 348
132 144 168
260 283 331
258 280 328
270 292 343
280 304 356
299 326 381
314 341 399
330 358 420
383 416 488
172 180 192 228 240
338 354 378 449 472
335 351 375 445 468
350 367 392 465 490
364 381 407 483 509
390 408 435 517 544
408 427 456 541 570
429 449 479 568 598
499 522 557 661 696
258 264 276
508 519 543
503 515 539
527 539 563
547 559 585
585 598 625
613 627 655
643 658 688
748 766 800
288 294 300 312
567 578 590 614
562 573 585 609
588 600 612 637
610 622 636 661
653 666 680 707
684 697 712 741
718 733 748 778
835 852 870 905
396
778
885
930
960
992
1098
KV - RMS 60 72
52b
57b
79b
