Es el valor mayor de cresta de tensión de impulso de maniobra que se puede presentar entre las terminales de un apartarrayos, siendo fijada numéricamente por el valor máximo entre la tensión residual para una determinada corriente de descarga y una tensión disruptiva al pulso de maniobra.
En el caso de los apartarrayos de óxido de zinc (ZnO) el nivel de protección está definido en forma similar que para los apartarrayos de tipo autovalvular, con excepción de la tensión disruptiva, que es una característica exclusiva de los apartarrayos con gaps.
En la siguiente figura 7.11, se muestran las cantidades que intervienen en un estudio de coordinación de aislamiento.
En esta figura 7.11, la tensión nominal del sistema (V) se puede ampliar a 1,4 p.u., por ejemplo, en el caso de un corto circuito de fase a tierra, valor obtenido a partir de la aplicación del factor de conexión a tierra Ce. La tensión nominal del apartarrayos (Vn) debe ser mayor a este valor para que el apartarrayos no se dañe.
Fig. 7.11 Coordinación de aislamiento.
En la práctica el nivel de aislamiento no es único, y por lo tanto, la figura 7.11, solo es indicativa del procedimiento que se debe seguir para definir la coordinación de aislamiento para un determinado equipo.
Las pruebas de mantenimiento que se deben hacer en los apartarrayos con voltaje de corriente directa, es la resistencia de aislamiento y de alto potencial. El valor de voltaje de corriente directa debe ser 1,7 veces el voltaje nominal del apartarrayos.
CONCLUSIONES.
Para la problemática de las sobretensiones, como para la continuidad, calidad y seguridad del sistema eléctrico deben realizarse minuciosamente los estudios de coordinación de aislamiento y guías de aplicación de la misma. Así como para la problemática y afectación de descargas atmosféricas directas, cercanas al equipo a proteger y las líneas en este caso las líneas de distribución e incluso la afectación por contaminación dependiendo la región y la ubicación de líneas, subestaciones, estructuras y postes.
Para un buen diseños y operación adecuada de subestaciones y sistemas eléctricos de distribución se debe tener o contar con un medio para drenar las corrientes eléctricas sin exceder los limites de operación de los equipos y afectar la continuidad del servicio. Esto se logra mediante la conexión a tierra o un medio que consiste en electrodos de tierra enterrados a una cierta profundidad (debajo de la superficie del suelo), la cual adquiere una importancia fundamental, ya sea por la ocurrencia de falla a tierra, por transitorios durante maniobra de interruptores o por sobretensiones atmosféricas.
En los sistemas de distribución a diferencia del sistema de transmisión, las sobretensiones originadas por descargas cercanas originan un mayor número de fallas en las líneas que la debidas a descargas directas.
También para el análisis y para una buena operación en sistemas de distribución se recomienda incrementar el BIL (Nivel Básico de Aislamiento al impulso atmosférico) recomendado el cual puede reducir la frecuencia de fallas en un 30% aproximadamente. El blindaje así como el incremento de hilos de guarda los cuales tendrían un comportamiento similar en las líneas de distribución .
La aplicación de apartarrayos de óxidos metalicos (ZnO) puede mejorar substancialmente el comportamiento de las líneas ante descargas directas y cercanas ya que estos apartarrayos cuentan con ventajas de absorción de energía y mejor protección contra descargas eléctricas pero sin olvidar y prestarle atención a la resistencia de aterrizamiento de las líneas, con el fin de mejorar su comportamiento ante descargas atmosféricas.
Se recomiendan las pruebas tanto de resistencia de aislamiento como la prueba del factor de potencia con el objeto de determinar el deterioro, contaminación y perdidas dieléctricas en apartarrayos. Así como la supervisión y mantenimiento para diagnosticar el estado físico de dichos apartarrayos.
GLOSARIO DE TERMINOS. Coordinación de aislamiento.
Es la selección de la tensión de aguante del equipo e instalación en relación con las sobretensiones que puedan presentarse en un punto del sistema, considerándolas características de los dispositivos de protección, para reducir a un nivel técnico y económicamente aceptable, la probabilidad de que los esfuerzos dieléctricos puedan ocasionar falla del aislamiento y/o afectar la continuidad del servicio.
En otras palabras, es la selección de la rigidez de aislamiento consistente con las sobretensiones esperadas para obtener un riesgo de falla aceptable.
Aislamiento externo.
Comprende las superficies externas de los equipos, el aire ambiente que los rodea y las distancias en aire. La tensión de aguante del aislamiento externo depende de las condiciones atmosféricas (presión, temperatura y humedad) y de otras condiciones de intemperie (contaminación, niebla, lluvia, rayos ultravioleta, etc)
El aislamiento de aire y de las superficies expuestas del aislamiento sólido del equipo, el cual está sujeto tanto a los esfuerzos dieléctricos como a los efectos de la atmósfera y otras condiciones externas tales como contaminación, humedad, niebla, etc.
Aislamiento externo tipo exterior.
Es el aislamiento que esta diseñado para operar fuera de los edificios y consecuentemente está expuesto a las condiciones atmosféricas y de intemperie.
Aislamiento externo tipo interior.
Es el aislamiento externo que está diseñado para operar dentro de los edificios y consecuentemente no está expuesto a las condiciones de intemperie.
Aislamiento interno.
Comprende los aislamientos internos sólidos, líquidos o gaseosos que forman parte del aislamiento de los equipos y que están protegidos de las condiciones atmosféricas y de intemperie.
El aislamiento interno comprende los elementos sólidos, líquidos o gaseosos del aislamiento del equipo, los cuales están protegidos de los efectos atmosféricos y otras condiciones externas como la contaminación, humedad y niebla.
Aislamiento autorrecuperable.
Es el aislamiento que recupera completamente y en un tiempo relativamente corto sus características aislantes después de la aplicación de un esfuerzo de tensión aunque haya o no ocurrido una descarga disruptiva; un aislamiento de este tipo es generalmente, pero no necesariamente, un aislamiento externo.
Aislamiento no autorrecuperable
Es el aislamiento que pierde sus propiedades aislantes o que no las recupera completamente después de una descarga disruptiva causada por la aplicación de un esfuerzo de tensión; un aislamiento de este tipo es por lo general, aunque no necesariamente un aislamiento interno.
Configuración del aislamiento.
La configuración geométrica total del aislamiento, incluyendo todos los elementos (aislantes y conductors) que influyen en su comportamiento dieléctrico. Algunos ejemplos de las configuraciones de aislamiento son de fase a tierra, fase a fase y longitudinal.
Configuración Longitudinal del aislamiento.
Una configuración de aislamiento entre las terminales pertenecientes a una misma fase, pero las cuales se separan temporalmente para formar dos partes energizadas independientemente, por ejemplo, las terminales de los dispositivos de interrupción.
Terminal aislada.
Es cualquiera de los electrodos (conductor de fase, núcleo magnético, tanque metálico o estructura, plano de tierra, etc) entre los cuales se aplica la tensión que esfuerza el aislamiento. En la práctica se divide en terminales de fase y de tierra. Todos los electrodos que se encuentran al mismo potencial se consideran como una terminal.
Tensión nominal de un sistema trifásico (Vn).
Es el valor eficaz de la tensión entre fases con que se designa el sistema y al que están referidas ciertas características de operación del mismo. La tensión rms de fase a fase para la cual se diseña el sistema y a la cual se refieren ciertas condiciones operativas del sistema.
Tensión máxima de un sistema trifásico (Vm).
Es el valor eficaz de la tensión de operación entre fases más alto, el cual ocurre bajo condiciones normales de operación, a cualquier tiempo y en cualquier punto del sistema.
La tensión rms de fase a fase más alta que ocurre en el sistema bajo condiciones normales de operación y la tensión rms de fase a fase para la cual el equipo y otros componentes del sistema se diseñan para una operación continua y satisfactoria sin sufrir deterioros de ninguna clase.
Tensión máxima de diseño del equipo (Vd).
Es el valor eficaz de tensión entre fases más alto para el cual está diseñado el equipo con respecto a su asilamiento y a otras características asociadas con esta tensión, en las normas relativas al equipo. Sobretensión para un sistema o equipo.
Es cualquier valor de tensión cresta que excede la que existe a través de las terminales del aislamiento, cuando todas las terminales de fase del equipo a la cual pertenece dicho aislamiento, están energizadas con las tensiones de fase a tierra, que corresponden a una tensión de referencia dada de fase a fase. Para un sistema de tensión de referencia se considera como la tensión más alta del sistema, mientras que para un equipo se considera como la tensión más alta del equipo.
Para el aislamiento externo de un equipo instalado en altitudes mayores a 1000 m.s.n.m. la tensión de referencia es la tensión más alta para el equipo corregido por la diferencia de altitud a la cual está instalado.
Clasificación de las tensiones y sobretensiones.
De acuerdo a su forma y duración de las tensiones (sobretensiones) se dividen en las clases siguientes:
Tensión permanente a la frecuencia del sistema.
Es una tensión a la frecuencia del sistema aplicada permanentemente a cualquier par de terminales de un aislamiento.
Forma de onda estándar de la tensión a la frecuencia del sistema de corta duración. Una tensión senoidal con frecuencia entre los 48 y 62 Hz y de 60 s de duración.
Sobretensión temporal.
Sobretensión a la frecuencia del sistema de relativa larga duración. Sistema efectivamente aterrizado
Un sistema en el cual los neutros se conectan directamente a tierra por medio de una conexión en la cual no se ha insertado intencionalmente una impedancia.
Factor de falla a tierra.
La relación entre la tensión más alta a la frecuencia del sistema en una fase sin falla durante una falla de línea a tierra y la tensión de fase a tierra a la frecuencia del sistema sin la falla (el factor de falla a tierra generalmente debe ser menor a 1.3, si la reactancia de secuencia cero es menor a tres veces la reactancia de secuencia positiva y la resistencia de secuencia cero es menor o igual a la reactancia de de secuencia positiva).
Sobretensión transitoria.
Sobretensión de corta duración de pocos milisegundos, la cual es oscilatoria o no oscilatoria, usualmente altamente amortiguada. Puede estar sobrepuesta a una sobretensión temporal. Estas sobretensiones se clasifican en la forma siguiente:
Sobretensión de un frente lento (maniobra).
Un sobrevoltaje transitorio, en el cual se genera un voltaje (comúnmente por maniobras o fallas) que es de frente lento, corta duración, unidireccional u oscilatorio y altamente amortiguado.
Forma de onda estándar de la tensión de impulso por maniobra.
Un impulse complete que tiene un tiempo de cresta de 250 µs y un tiempo de cola (a la mitad de su valor d ecresta) de 2500 µs. Se describe como un impulso de 250/2500 µs .
Sobretensión de frente rápido.
Un tipo de sobrevoltaje transitorio en el cual se produce un sobrevoltaje de frente rápido debido a una descarga o falla, este tipo de sobretensión comúnmente es unidireccional y de muy corta duración.
Forma de onda estándar de la tensión de impulso por rayo. Un impulso que alcanza a su valor de cresta en 1.2 µs y cae a la mistad de ese valor de tensión 50 µs, ambos tiempos se miden a partir del mismo origen. Se describe como un impulso de 1.2/50 µs.
Sobretensión de frente muy rápido.
Un sobrevoltaje transitorio en el cual se genera un voltaje de corta duración, comúnmente unidireccional (debido principalmente por maniobras en subestaciones en SF6 o en motores).
Sobretensión longitudinal.
Una sobretensión que aparece entre el contacto abierto de un interruptor. Valor de cresta (valor pico).
El valor absoluto máximo de una función cuando ese máximo exista. Tiempo de cresta.
El tiempo en que un impulso alcanza el valor de cresta. Tiempo de cola (tiempo a la mitad del valor de cresta).
El tiempo en el que un impulso cae a la mitad de su valor de cresta. Tensión de aguante.
Es la tensión permanente, temporal, de frente lento, rápido o muy rápido, con una probabilidad de referencia de ser soportada por el aislamiento.
Es la tensión que tiene una forma representativa (rayo normalizada, maniobra normalizada, a frecuencia del sistema ya sea permanente o temporal), con una probabilidad de referencia de ser soportada por el aislamiento. Se define por:
Supuesta o convencional Æ La probabilidad de referencia se supone del 100%. Estadística Æ La probabilidad de referencia se supone del 90%. Tensión de aguante convencional.
La tensión que un aislamiento es capaz de soportar sin falla o descarga disruptiva bajo condiciones específicas de prueba.
Tensión de aguante estadística.
La tensión que un aislamiento es capaz de soportar con una probabilidad de falla dada, correspondiente a una probabilidad de falla específica (por ejemplo 10%, 0.1%, etc).
Se define así cuando el número de descargas toleradas está relacionado a una probabilidad de aguante. En general, esa probabilidad es del 90%, y la tensión crítica de flameo será con probabilidad del 50% de flameo, existiendo una relación entre ambas tensiones dada por la expresión:
(1 1.3σ)
50 −
=V VA
σ es la desviación estándar de una distribución probabilística correspondiendo a la de la prueba. Nivel básico de aislamiento.
Es la tensión de aguante estadística por impulso normalizado, ya sea de maniobra (NBIM) o de rayo (NBIL), para ambos pulsos, el NBIL o NBIM están dados por:
( ) (1 1.3 ) ; 6% % 3 ; 3 . 1 1 50 ) 2500 / 250 ( 50 ) 50 / 2 . 1 ( = − = = − = σ σ σ σ V NBIM V NBIL
Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (BIL-NBAI).
La rigidez eléctrica del aislamiento expresado en términos del valor de cresta de un impulso de rayo estándar bajo condiciones atmosféricas estándar. El NBAI se puede expresar en forma convencional o estadística.
NBAI convencional.
El valor de cresta de un impulso estándar de rayo estándar para el cual el aislamiento no debe presentar una descarga disruptiva cuando se sujeta a un número específico de aplicaciones de este impulso bajo condiciones específicas, aplicable específicamente a aislamientos no autorrecuperables.
NBAI estadístico.
Los valores de cresta de impulsos estándar de rayo para los cuales el aislamiento presenta una probabilidad de aguante del 90% (o un 10% de probabilidad de falla) bajo condiciones específicas y es aplicable exclusivamente al aislamiento autorrecuperable.
Factor de corrección atmosférico.
Es un factor aplicado para tomar en cuenta la diferencia entre las condiciones atmosféricas en servicio y las condiciones atmosféricas estándar, normalmente aplicado a aislamientos externos. Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra (BSL-NBAM).
La rigidez eléctrica del aislamiento expresado en términos del valor de cresta de un impulso por maniobra estándar. El NBAM se puede expresar en forma convencional o estadística.
NBAM convencional.
El valor de cresta de un impulso estándar de maniobra para el cual el aislamiento no debe presentar una descarga disruptiva cuando se sujeta a un número específico de impulsos bajo condiciones específicas, aplicable a aislamientos no autorrecuperables.
NBAM estadístico.
El valor de cresta de un impulso estándar de maniobra para el cual el aislamiento presenta una probabilidad de aguante del 90% (10% de probabilidad de falla), bajo condiciones específicas y es aplicable al aislamiento autorrecuperable.
Tensión de flameo.
En una serie de pruebas, es el valor pico o eficaz de tensión que en todas ellas debe ocasionar flameo.
Tensión de flameo al 50% o tensión crítica de flameo (impulso de rayo y maniobra).
Tiene como objetivo determinar la tensión con probabilidad del 50% de descarga disruptiva o de flameo. En la normatividad se encuentran dos procedimientos, los cuales son:
MCOV.
Tensión Máxima de Operación Permanente. BIL.
Abreviación de: Nivel Básico de Aislamiento al impulso atmosférico. SIL.
Uc.
Tensión de operación permanente de un descargador: ( tensión de operación permanente es el valor eficaz de tensión alterna (con frecuencia industrial) admisible, que puede aplicarse continuamente entre los terminales de un descargador.
Uref.
Tensión de referencia, valor de cresta de la tensión de frecuencia industrial dividido por 2 entre los terminales del descargador mientras circula la corriente de referencia. La tensión de referencia se usa cuando se selecciona una muestra para ensayo y se determinan los parámetros de ensayo para el ensayo de funcionamiento. En los ensayo de rutina ésta sirve como una prueba simple e indirecta de que un descargador o una unidad de descargador se ha ensamblado de acuerdo con los requisitos de la tensión residual (las tensiones residuales respectivas y las tensiones de referencia guardan una relación determinada).
Us.
Tensión máxima de un sistema, el máximo valor de la tensión de operación que se tiene bajo condiciones normales de operación, en cualquier momento y en cualquier punto del sistema.
Um.
Tensión máxima del equipamiento, valor eficaz de la máxima tensión entre fases para la cual se diseñó el equipamiento con referencia a su aislamiento y otras características que se relacionan con esta tensión en la norma del equipamiento pertinente.
Ur.
Tensión nominal de un descargador: valor eficaz máximo admisible de tensión de frecuencia industrial entre terminales (del descargador) para el cual el descargador está diseñado para operar correctamente en las condiciones de sobretensión temporaria establecidas en los ensayos de funcionamiento. Normal-mente el fabricante especifica si la misma puede aplicarse al descargador durante 10 segundos (correspondiente al valor del ensayo de funcionamiento) o 100 segundos. Ures.
Tensión residual (también llamada frecuentemente "tensión de descarga") caída de tensión entre los terminales del descargador cuando se inyecta un impulso de corriente. Para impulsos de corriente que tienen la forma y el valor de un impulso con corriente de ensayo normalizada (impulso atmosférico de corriente, impulso con corriente de maniobra, impulso escarpado de corriente), las tensiones residuales que aparecen simultáneamente son los niveles de protección que se asignan a esta forma y valor de la corriente (nivel de protección a impulso atmosférico, nivel de protección a impulso de maniobra, nivel de protección a impulso escarpado).
Uw.
Tensión resistida nominal, un término de la coordinación de la aislamiento de valor normalizado de la tensión aplicada en un ensayo de tensión resistida.
Urw.
Tensión resistida requerida, término de la coordinación de la aislamiento tensión de ensayo que debe resistir la aislamiento durante un ensayo de tensión resistida normalizada para asegurar una tasa aceptable de falla (el llamado "criterio o índice de calidad o desempeño") en las condiciones reales de servicio
INDICE DE IMÁGENES.
Capítulo I.
Fig. 1 Mapa de la republica mexicana (densidad de rayos a tierra)...9 Capítulo II.
Fig. 2 Rayo...12 Fig. 2.1 Distribución de corrientes de rayo...17 Capítulo III.
Fig. 3 Modelo Electrogeométrico...21 Fig. 3.1 Curva de distancia crítica para determinar golpes directos a la línea...21 Fig. 3.2 El flameo inverso en una línea de transmisión...22 Fig. 3.3 Voltajes calculados en el copete y al pie de una torre al recibir una descarga atmosférica...23 Fig. 3.4 Voltaje (kV) inducido a una cierta distancia para diferentes valores de corriente de rayo...24 Fig. 3.5 No. De Flámeos/100 k km/año vs. BIL se considera h= 10 m y Ng= 1...25 Fig. 3.6 Variación del ángulo de blindaje para un tipo de estructura de torre...26 Fig. 3.7 Representación de la incidencia de una corriente de rayo en una línea de
transmisión y la formación de las ondas de voltaje...27 Fig. 3.8 Concepto general de flámeos inversos...27 Capítulo IV.
Fig. 4 Medición de la resistividad del terreno por método de Wenner...39 Fig. 4.1 Efectos en la resistividad en el terreno considerando el contenido de sal, humedad y la temperatura...39 Fig. 4.2 Parámetros calculados con los modelo de dos capas para los tipo A y B de suelo. Usando el método de wenner de medición...40 Fig. 4.3 Agregado de sales simples en zanja alrededor del electrodo de tierra...46 Fig. 4.4 Comportamiento al impulso de la impedancia de contraantena...48 Fig. 4.5 Distancia conductor-apoyo a) para aisladores de geometría fija y b) de geometría variable...49 Fig. 4.6 Representación de la incidencia de una corriente de rayo en una línea y la
formación de las ondas de voltaje...54 Fig. 4.7 Atenuación y distorsión debido a corona para diferentes tiempos de cola...54 Capítulo V.
Fig. 5 Representación esquemática de la magnitud de las tensiones y las sobretensiones en un sistema de potencia eléctrica con respecto a su duración...57