INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
ACADEMIA DE POTENCIA
TECNICAS DE LAS ALT ALTAS TENSIONES II
UNIDAD I TENSION DISRUPTIV DISRUPTIVA A EN AIRE PROF.. CARLOS PROF C ARLOS RAMIREZ RAMI REZ PACHECO
UNIDAD I TENSION DISRUPTIV DISRUPTIVA A EN AIRE
1.0. Explicación de la tensión tensión crítica de flameo flameo (VCF). 1.1. Métodos para la determinación determinación de la la tensión crítica de flameo. 1.2. Pruebas y factores que afectan las tensiones disruptivas en el medio ambiente. 1.3. Concepto y normas del del nivel básico de aislamiento aislamiento al impulso (NBI) por rayo o por maniobra. 1.4. Relación voltaje voltaje - distancia en el aire para distintas configuraciones de electrodos. 1.5. Por rayo. 1.6. Por maniobra. 1.7. Limitación de las las sobretensiones por maniobra y establecimiento de factores de sobretensión. 1.8. Uso de resistencias de preinserción.
UNIDAD I TENSION DISRUPTIV DISRUPTIVA A EN AIRE
1.0. Explicación de la tensión tensión crítica de flameo flameo (VCF). 1.1. Métodos para la determinación determinación de la la tensión crítica de flameo. 1.2. Pruebas y factores que afectan las tensiones disruptivas en el medio ambiente. 1.3. Concepto y normas del del nivel básico de aislamiento aislamiento al impulso (NBI) por rayo o por maniobra. 1.4. Relación voltaje voltaje - distancia en el aire para distintas configuraciones de electrodos. 1.5. Por rayo. 1.6. Por maniobra. 1.7. Limitación de las las sobretensiones por maniobra y establecimiento de factores de sobretensión. 1.8. Uso de resistencias de preinserción.
El dimensionamiento de las distancias entre partes vivas y de partes vivas a tierra, que se refiere en instalaciones de tipo convencional, ya sea en interiores o intemperie, no se considera en las instalaciones de tipo blindado o aisladas en gas. 1.0. Explicación de la tensión crítica de flameo (VCF). La separación entre aparatos de una instalación y la disposición física de los mismos, se efectúan a partir de un diagrama unifilar, seleccionando la capacidad de la instalación y su tensión nominal. Estos factores no sólo afectan el tamaño de las componentes, sino también las distancias a tierra y entre fases. La determinación de estas dimensiones se efectúa por medio del cálculo de las distancias eléctricas entre las partes vivas del equipo y, entre éstas y las estructuras, muros, rejas y el suelo, que son:
Distancias entre fases. Entre partes vivas de fases diferentes. Distancias a tierra. Entre partes vivas (energizadas) y estructuras a tierra, muros, rejas y tierra. Distancias de aislamiento. Entre las terminales de un aislador, o también entre conexiones a las terminales de un interruptor interruptor.. Distancias entre secciones. Entre partes vivas y los límites de las zonas de mantenimiento (zonas de trabajo). Los límites de las zonas de mantenimiento pueden ser tierra o una plataforma sobre la cual trabajen los operarios. Si se considera que en una subestación eléctrica los hombres deben caminar libremente bajo las zonas con equipo energizado, es necesario dar una distancia adecuada entre el punto más bajo sobre cada aislador (donde se conectan a tierra las partes metálicas) y tierra, para asegurar que una persona no sufrirá los efectos del campo eléctrico. Esta distancia está basada en las denominadas distancias de seguridad, que más adelante se estudiarán.
Distancias eléctricas de no flameo en aire a)
Aislamiento de fase a tierra. Se refiere al aislamiento de una fase cualquiera con relación a los puntos conectados a tierra. Está caracterizado por una tensión relacionada con una distancia a tierra, que se verifica por medio de procedimientos convencionales y reproducibles en laboratorios, que se expresa en las normas como distancia de aislamiento en el aire, que es necesaria para definir los aspectos de seguridad.
b)
Aislamiento de fase a fase. El aislamiento entre fases debe garantizar un comportamiento dieléctrico que relacione la tensión con la distancia en aire, sin considerar ningún elemento a tierra entre los conductores de fase. En las subestaciones, la distancia de aislamiento entre fases resulta de las condiciones de la instalación y frecuentemente se refiere a los l os equipos, aunque no dependa de éstos.
Conceptos básicos para el diseño del aislamiento en aire Tensión crítica de flameo (VCF o CFO). La tensión crítica de flameo es el valor de tensión al cual se tiene una probabilidad de flameo del 50% (también llamado U 50) y los valores usados para diseño corresponden a los niveles básicos de aislamiento (por impulso de rayo o de maniobra), que son cantidades inferiores al VCF o el VCS, y que darían probabilidades de flameo máximas del 10%, es decir, se espera que no se produzca flameo por lo menos en un 90% de las veces. La VCF se determina experimentalmente en laboratorio bajo condiciones estándares de temperatura presión y humedad. Tensión máxima de diseño (Vd) . La tensión máxima de diseño del equipo es el valor eficaz de tensión más alto entre fases, para el cual está diseñado el equipo con respecto a su aislamiento y a otras características asociadas con esta tensión, en las normas relativas al equipo. Corriente nominal (In). Corriente nominal es el valor de corriente que circula por una instalación o sistema eléctrico en condiciones normales de operación y con carga nominal a su factor de potencia establecido. Corriente máxima de operación continua (MCOV). La corriente máxima de operación continua es el valor máximo admisible de corriente que se prevé en condiciones normales de operación (sin falla) en una instalación o sistema eléctrico.
Nivel básico de aislamiento (NBA). El nivel básico de aislamiento o nivel de onda completa es el nivel de tensión que el aislamiento de un equipo eléctrico puede soportar repetidamente sin que se presente la descarga disruptiva.
Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI). El nivel básico de aislamiento al impulso por rayo, es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso al rayo.
Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra (NBA). El nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso por maniobra.
1.1.
Métodos para la determinación de la tensión crítica de flameo.
Las distancias en aire de fase a tierra y de fase a fase deben garantizar estadísticamente una probabilidad de flameo tal que, resulte tan baja desde el punto de vista de los criterios de diseño adoptados. Esto conduce al establecimiento de distancias mínimas de no flameo entre fase y tierra o entre fases, que se determina principalmente para los impulsos por rayo y por maniobra, según los niveles de aislamiento.
El concepto de distancia dieléctrica en aire es general y, desde el punto de vista de diseño, parte de la relación entre la tensión crítica de flameo por rayo (VCF) o por maniobra (VCS) y el nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI) o por maniobra (NBS). La relación entre los niveles básicos de aislamiento al impulso y las tensiones críticas de flameo, se indican a continuación:
Por impulso de rayo: NBI = VCF (1.0 – 1.3 )
Donde:
= Es la desviación estándar referida al valor de VCF, obtenida de la distribución de gauss. Se recomienda, para el caso de impulso por rayo, usar un valor de Con lo que, sustituyendo en la ecuación anterior, se tiene:
NBI = 0.961 VCF
= 3%.
Por impulso de maniobra: NBS = VCS (1.0 – 1.3 ) Se recomienda, para el impulso por maniobra, usar un valor de Con lo que se tiene, sustituyendo en la ecuación anterior: NBS = 0.922 VCS
= 6%.
Ejemplo.- De una prueba de laboratorio a una cadena de aisladores se aplicaron por cada paso de tensión 15 impulsos, obteniéndose los siguientes resultados:
No. de prueba
Voltaje de prueba (kV)
No. de flameo
1
1300
1
2
1400
5
3
1500
7
4
1600
6
Calcular el valor de la tensión resistente o tensión de aguante (NBI).
9
Solución La tensión crítica de flameo o V 50% es:
VCF
1 1300 5 1400 7 1500 6 1600 19
1494kV
51400 1494 71500 1494 61600 1494
1 1300 1494
2
2
2
19
2
88.69
La tensión de aguante o nivel básico de aislamiento al impulso (10% de probabilidad de flameo).
NBI V 50% 1.28 1494 1.28 88 .7 1380 kV
10
Para tensiones nominales hasta 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m., y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de rayo y sólo se verifican para las sobretensiones por maniobra de interruptores. En ciertos casos, la relación entre la tensión crítica de flameo y la distancia en aire, se obtiene de la ecuación:
VCS 500 K 3 d Donde: d = Distancia entre electrodos expresada en m. K3= Factor de electrodos (factor de Gap)
kV
CONFIGURACIONES DE ELECTRODOS USADOS EN E L DIMENSIONAMIENTO DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
60 mm O 60 mm O
ELECTRODO
18 M
12.6 M
6M
1 M x 1.5 M 6M 25 M d
60 mm O 3.90 M
2m O
16 M
2.30 M
PUNTA - PLANO
PUNTA - ESTRUCTURA
PUNTA - PUNTA
1 M x 1.5 M
8M 16 M x 16 M d1
f.p.1 60 mm O
60 mm O d
d2 f.p.2
3.90 M 25 M
CONDUCTOR - PLANO
CONDUCTOR - TRABE
2y4M 0.2 M
CONDUCTOR - PUNTA
El factor de electrodos K 3 toma los siguientes valores, según las configuraciones.
El factor de electrodos K3 según su configuración
Factor K3
Configuraciones
Para conductor – estructura. Conductor de fase exterior en líneas de transmisión – estructura. Conductor – estructura en líneas de transmisión con 550
cadena de aisladores en “V”.
480
Conductor – objeto a tierra (vehículos, tableros, etc.). Conductor – conductor. Anillo –equipotencial. Conductor – ventana en líneas de transmisión. Para configuración punta-plano.
Distancia de fase a tierra (m):
d
VCF K 3
En tensiones nominales superiores a 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m. y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de maniobra, de acuerdo con la expresión: 0.6
VCS 500 K 2
d
kV
Donde: K2 = Factor de Gap. d = Distancia de fase a tierra (m). También, se puede usar en forma alterna la ecuación:
3400 K2 VCS 8 1 d
Los factores de Gap recomendados para sobretensiones por maniobra, para diferente configuración, son los valores siguientes:
Factores de Gap K2 recomendados para diferentes configuraciones de electrodos
Factor K2
Configuración
K2 =1.40
Varilla-varilla.
K2 =1.35
Conductor de fase exterior a torres.
K2 =1.20
Conductor de fase interior a torre (ventana).
K2 =1.50
Fase – fase.
K2 =1.00
Punta – plano.
Efectos meteorológicos (presión barométrica, temperatura y humedad). Los valores de tensión al impulso, que producen descarga en el aire entre electrodos, están influenciados por los valores de presión atmosférica, temperatura y humedad, este criterio es válido para todos los aislamientos externos (cadenas de aisladores en líneas de transmisión, boquillas en transformadores, boquillas de interruptores, porcelanas en transformadores de potencial y corriente, etc.), ya que las pruebas se efectúan en las condiciones atmosféricas normalizadas de 20 C de temperatura, 1013 milibar de presión barométrica (760 mm de mercurio a 0 C) y una humedad absoluta de 11 gm/m 3. Se puede demostrar que la tensión disruptiva se aumenta con la densidad del aire y la humedad, por lo que los valores de tensiones disruptivas deben ser corregidas por estos dos factores. °
°
Del valor de tensión disruptiva (tensión crítica de flameo) VCF a una temperatura t en C y una presión barométrica b, se puede obtener el valor Vn , de acuerdo con la relación siguiente: °
Vn VC
Donde: es el coeficiente de corrección, que es en función de la densidad relativa del aire y la t a la temperatura y b a la presión. La densidad relativa del aire a cualquier presión barométrica, se calcula con la expresión siguiente:
0.392
b
273 t
Donde: b = es la presión barométrica del lugar de la instalación. t = es la temperatura ambiente en el lugar de la instalación.
La presión barométrica se obtiene por medición, ésta puede ser medida con un barómetro de Fortin, que es un tipo muy usado, de tal forma que la presión barométrica a una temperatura t (bt) se puede obtener resolviendo la siguiente expresión:
bo bt 0.000161bt (t)
Donde: b = presión barométrica en mm de mercurio a 0 C. t = presión barométrica a la temperatura t en C. °
°
En cuanto a la humedad, se hace un razonamiento distinto para el objeto que se prueba, el coeficiente que lo relaciona depende también de la forma de los electrodos, es decir, si se tienen dos electrodos en aire, sin interesar la superficie del material, no se debe aplicar factor de corrección; pero si en lugar de esto, la descarga se presenta a lo largo de la superficie sólida (por ejemplo, un aislador de porcelana), el valor de la tensión de descarga debe ser reportada a las condiciones normales de humedad, según un coeficiente de corrección Kh, obtenido de gráficas. Entonces, la tensión de descarga en las condiciones de prueba (en laboratorios), se debe corregir a las condiciones del lugar de la instalación por presión barométrica, humedad y temperatura, de acuerdo con la relación:
VCFno estándar
Kh
VCFestándar
Despejando: Los aislamientos internos no se ven afectados por las condiciones ambientales y, en consecuencia, no requieren de corrección alguna. La tensión crítica de flameo, en condiciones estándar, se modifica de acuerdo con la expresión siguiente: VCF estándar
Kh
VCFno estándar
kV
Para pruebas en laboratorios instalados a una altura superior a 1000 m.s.n.m. Siendo:
VCFno estándar
n Kh
VCFestándar
Despejando: VCF estándar
Kh
VCFno estándar
kV
Los aislamientos internos no se ven afectados por las condiciones ambientales y, en consecuencia, no requieren de corrección alguna. La tensión crítica de flameo, en condiciones estándar, se modifica de acuerdo con la expresión siguiente:
VCFno estándar
n Kh
VCFestándar
Para pruebas en laboratorios instalados a una altura superior a 1000 m.s.n.m. Siendo: Kh = Factor de corrección por humedad. = Factor de corrección por presión barométrica. N = Exponente que depende de la configuración de los electrodos, teniendo un valor máximo de 1.0
En condiciones estándar: Kh 11gm/m3 Se obtiene de la expresión:
0.392 b 273 t
Donde: b = presión barométrica en mm de mercurio. t = temperatura en C. °
En condiciones estándar: b = 760 mm de mercurio a 0 m.s.n.m. t = 25 C. °
Tomando como referencia el nivel del mar y la temperatura ambiente de 25 C, los factores de corrección para diferentes altitudes, tomados por rangos, se indican en la siguiente tabla: °
Factores de corrección por presión barométrica para diferentes altitudes con respecto a 0 m.s.n.m. Rangos de altura sobre el nivel del mar (m)
0a 500
501 a 1000
1001 a 1500
1501 a 2000
2001 a 2500
2501 a 3000
Factor de corrección
0.94 2
0.885
0.834
0.775
0.732
0.688
Los factores de corrección por humedad, se obtienen aplicando los valores de dicha tabla. La tensión crítica de flameo, para distancias en aire utilizadas en diseño, en condiciones diferentes a la estándar, se calcula de la siguiente manera:
K VCFdiseño h VCFestándar n K VCSdiseño h VCSestándar n
Distancias mínimas de fase a tierra y de fase a fase en aire hasta 1000 m.s.n.m. y en condiciones estándar*** Tensión nominal kV
Tensión máxima kV
NBI kV
NBS kV
NBI de fase a fase
Distancia de fase a tierra
Distancia de fase a fase
mm
mm
120
120
160
160
220
220
320
320
480
480
630
630
900 1100
900 1100
1100 1300
1100 1300
650 750
1100 1300 1500
1300 1500
750 850 950 1050 1125
1300 1500 1700 1900 2100
-4.4
4.4
75
-75
-6.9
7.2
95
-95
-13.8
15.5
110
-110
-24.0
26.4
150
-150
-34.5
38.0
200
69.0
72.5
350
123.0
450 550 --
145.0
450 550 650
--
170.0
550 650 750
245.0
650 750 850 950 1050
420.0
1050 1175 1300 1425
-200
--
-350
-115.0
138.0
161.0
230.0
400.0
NBS de fase a fase
-450 550 -550 650
--
--
--
-950 1050
1425 1550
2200* 2600* 2900** 4100**
1500 1700 1900 2100 2400 2800 3100* 3500* 3600** 4100**
* Para configuración conductor-estructura. ** Para configuración asimétrica. *** Presión barométrica de 760 mm de Hg y temperatura de 25 C. °
P R
E S I
Ó
N
B A R
O
M
É T R
I
C
A
1 . 0 0
0 . 8 0
0 . 6 0 K 0 . 4 0
0 . 2 0
0
1 0 0 0
F A
C
( D
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K
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O
A U
R
C M
U E D
D
E
E
R
2 0 0 0 C
D
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N
C
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L
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A
3 0 0 0
H S
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P
N
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R
R
M
4 0 0 0
A
L T
A
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I E
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Y
A D
a
h
1 . 1 0 b
1 . 0 5
1 . 0 0
0 . 9 5
b a
”
A
N
Limitación de sobretensiones por maniobra
Sobretensiones en líneas de transmisión Sobretensiones por maniobra: Cierre y recierre de una línea Apertura de corrientes capacitivas Apertura de corrientes inductivas Interrupción de corrientes de falla • • • •
Sobretensiones internas
Factores que las afectan: Parámetros de la línea Tipo y rendimiento de los CB Fuentes de la red Resistividad de la red Cargas atrapadas Impedancia terminal Circuitos acoplados • • • • • • •
Maniobras en líneas de transmisión largas y en vacio -El cierre causa reflexión de la onda de sobretensión en el lado opuesto -La superimposición de la onda incidente y la onda reflejada resulta en una sobretensión dos veces la tensión nominal -La frecuencia resultante y el frente de onda es función directa de los parámetros distribuidos de la línea de transmisión y por lo tanto de su numero de circuitos y configuración -Debido a lo anterior el fenómeno es mas importante en líneas > 250 kV
Como se pueden prevenir este tipo de sobretensiones? Reactores
en derivación
Resistencias Cierre
de preinserción
sincronizado de interruptores de
potencia Capacitores
de graduación
Resistencias Apartarrayos
en paralelo para carga atrapada
La sobretensión es una onda viajera: Modelo
Analogía
La impedancia característica de una línea de transmisión Zc se utiliza como valor de referencia (siendo valores típicos 400 en líneas de 400 kV) para limitar este tipo de sobretensiones en donde existe un alto índice de reflexión, es decir
Atenuación y distorsión de ondas viajeras
Línea aérea Línea aérea
Punto de transición
Cable
Línea aérea
Punto de transición Reactor
Banco de capacitores Punto de inserción
Punto de transición
VI VT VR
II IT
IR
z1 > z2
z1 > z2
SOLUCION:
Resistencias de preinsercion
Que valor??
Aproximadamente igual a la Zc
Zc= (l/c)1/2
Valor tipico en lt’s: 400 ohms (400 kV)
Si existe alto indice de reflexion ???????????????????
Ondas viajeras
Punto de
Punto de
transición
transición
VI
VR
IR
z1 > z2
z1 > z2
Explicación: VI(t) = onda incidente VR(t) = onda reflejada VT(t) = onda transmitida II(t) = onda incidente IR(t) = onda reflejada IT(t) = onda transmitida
V I
I I
1
z I
I R I T
V R z I
V T zT
2
3
También: V I I I
V R V T 4 I R I T 5
El problema es determinar que parte de la onda incidente se refleja y se transmite, para esto se calculan a partir de las expresiones anteriores los llamados coeficientes de reflexión ( ) y de refracción o transmisión ( ). En la ecuación (5) se sustituyen las ecuaciones para la corrientes (1), (2) y (3).
V I
z I V T zT
V R z I
V I z I
V T zT
V R z I
6
También de (4)
V I z I V I z I
V R
V I
z I zT
V I
V R zT
V R z I
V R zT
zT z I zT z I V I z z V R z z I T I T V R zT z I V I zT z I z z V I T I zT z I z z T I Coeficiente de reflexión zT z I 1 Coeficiente de transmisión
V R
1
zT z I zT z I
2 zT
zT z I
Del coeficiente de reflexión se puede observar que si ZT es igual a ZI entonces el coeficiente se reduce a cero, es decir no existe onda reflejada . La solución práctica aprovechando este fenómeno es colocar una resistencia con valor aproximado a la impedancia característica de la línea de transmisión Zc donde:
Z c
L C
En la figura el interruptor I2 cierra primero la línea con el extremo final abierto e impedancia Z0, la tensión entre los contactos del interruptor es dividida por la resistencia Rp, entonces la tensión aplicada a la línea es reducido a un factor
Z 0 R
Z 0
si la resistencia Rp tiene un valor: Rp = Z0 Entonces la onda reflejada es reducida a cero es decir con un índice de reflexión = 0 produciendo solo una onda incidente en las terminales del interruptor, posteriormente el interruptor I1 cierra sus contactos, momentos después y dependiendo de su diseño, el interruptor I2 regresa a su posición inicial.
ATP/ATPDRAW Simulación!!! 3.3E5L 0.0 V
U
V
0.0L 0.0 V
3.3E5L-120.
400 kV
0.0L 0.0 V
U
V
0.0L 0.0
3.3E5L 120. V
U
V
Cierre sincronizado de interruptores
Una de las operaciones de maniobra más comunes en sistemas de potencia de alta y mediana tensión es la desconexión de elementos capacitivos en serie o paralelo La apertura o cierre de pequeñas corrientes capacitivas o inductivas pueden ocasionar transitorios electromágneticos con frente de onda muy escarpados y gran magnitud El cierre sincronizado es el cierre independiente de los contactos del interruptor cerca del paso de la corriente por cero
Aunque este nivel de precisión es difícil de alcanzar, frecuentemente es posible alcanzar una consistencia en el cierre de 0.5 mseg Los bancos de capacitores aterrizados se controlan cerrando los contactos de las tres fases en tres sucesivos ceros de la tensión de fase a tierra (a 60 0 de separación)
Los bancos sin aterrizar son controlados cerrando las primeras dos fases en el cero de la tensión de fase a fase y posteriormente retrazando la tercer fase a 900 (cero de la tensión de fase a tierra) los efectos del cierre sincronizado se pueden observar en las figuras (error de 1 mseg.) en un bus de 161 kV y un bus de 13.2 kV (donde se magnifica la tensión).
Sobretensión en PU
Bus 161 kV
Bus de 13.2 kV
Energización normal
1.68
1.85
Con cierre sincronizado
1.14
1.17
Principio de funcionamiento En cierre controlado, el tiempo del contacto mecánico (cierre) para establecer conexión eléctrica entre los contactos del interruptor se controla en una fase específica del sistema. La función consiste de los siguientes pasos: •El
cierre de la fase objetivo se determina considerando las características eléctricas y aleatoriedad en la operación mecánica del interruptor y de las condiciones en el lado carga. •El tiempo de cierre próximo (tiempo entre el instante de aplicación del comando de cierre controlado y el instante de cierre) se predice en base a las condiciones de ambientales y de tiempos de operación previos. •El tiempo de retrazo es calculado aplicado al temporizador. El tiempo de retrazo se refiere a la diferencia en tiempo entre la fase objetivo de cierre menos el tiempo de cierre previsto y el ultimo punto de cruce por cero. •Con el comando de cierre aplicado, el punto de cruce por cero es detectado para iniciar el temporizador. Después del tiempo de retrazo, el comando de cierre controlado es aplicado para iniciar la operación de cierre del interruptor de potencia. •Después del periodo del tiempo de cierre, el interruptor de potencia es cerrado. El tiempo de cierre actual es medido del circuito de cierre principal o sensor de recorrido, el cual es reflejado en la predicción del próximo tiempo de cierre.
