Simulación del flameo inverso en las torres de transmisión de 230 y 400 kV

(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

SIMULACION DEL FLAMEO INVERSO EN LAS

TORRES DE TRANSMISIÓN DE 230 Y 400 k

V

.

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTAN:

FUENTES ESCAMILLA ÁNGEL

PESQUERA RODRIGUEZ CÉSAR FELIPE

ASESORES:

M.C. BALDOMERO GUEVARA CORTES

ING. JAVIER CASTRO LÓPEZ

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UNIDAD PROFESIONAL "ADO LF O L Ó PEZ M ATE O S"

TEMA DE TESIS

Q UE PAR A O BTENE R E L TIT ULO D E _{INGENIERO ELECTRICISTA} P O R L A O PCI Ó N D E T IT UL ACIÓ N .

TESIS COLECTIVA y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL DE BE R A(N) DE SA RROL L AR

C. CESAR FELIPE PESQUERA RODRÍGUEZ C. ANGEL FUENTES ESCAMILLA

"SIMULACIÓN DEL FLAMEO INVERSO EN LAS TORRES DE TRANSMISION DE 230 Y 400KV"

SIMULAR MEDIANTE EL ATP DRAW EL FENOMENO DEL FLAMEO INVERSO TOMANDO EN CUENTA LOS PARAMETROS QUE PROVOCAN ..

• :. INTRODUCCIÓN .

• :. DEFINICIÓN DEL TEMA .

• :. SIMULACIÓN DE LAS TORRES DE TRANSMISIÓN DE 230 Y 400 KV.

MÉXICO D. F., A 22 DE MAYO DE 2013.

ASESORES

M. EN C. BALDOMERO GUEV ARA CORTES

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ｾ＠ JEFATURA DE

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1

RESUMEN

En la presente tesis se presenta un estudio sobre el de flameo inverso en torres de transmisión considerando el modelado de la torre y los parámetros que intervienen en el proceso del flameo inverso. El estudio se realiza a partir de la simulación del modelo eléctrico de una torre de transmisión ante una descarga atmosférica representada por una fuente de corriente conectada a la torre e hilos de guarda. Además de la fuente de corriente y el modelo de la torre de transmisión, la resistencia al pie de la torre es uno de los aspectos más importantes a analizar y son considerados en el desarrollo del trabajo, debido a que una elevada resistencia al pie de la torre, evita que la corriente del rayo se descargue al instante a tierra, ocasionando que a lo largo de la estructura de la torre se presente una diferencia de potencial elevado, dando origen así a un flameo inverso.

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2

AGRADECIMIENTOS

Nuestro agradecimiento va dirigido hacia nuestra Alma Mather, al Instituto Politécnico Nacional , quien nos dio la oportunidad de formarnos en nuestra ESIME Zacatenco , para ser unos buenos Ingenieros Eléctricos. También queremos agradecer a todos los profesores encargados de prepararnos para ser mejores día con día.

Y especialmente queremos agradecer a nuestro asesor de tesis, el M. en C. Baldomero Guevara Cortes, quien nos apoyó a lograr la realización de esta tesis, en donde siempre estuvo disponible para aclarar cualquier duda o información hasta el último momento de esta tesis, gracias por brindarnos su apoyo y su colaboración para que con ello pudiéramos obtener el título de Ingenieros Eléctricos.

A nuestros amigos: Emmanuel Bautista (El Tranz), Carlos Hernández (El Tres veces), Juan Carlos Vega (El Maza), Eliodt Camacho (El Gueliodt), Carlos Andrés (El Tortas) y a Gustavo López (El tavo), aquellos que siempre estuvieron ahí para nosotros, con quienes convivíamos día con día, y que fueron un pilar importante para la culminación de la carrera.

Ángel Fuentes

Quiero Agradecerles todo a mis padres y a mis hermanos, quienes me brindaron su apoyo, sus consejos y en los momentos más difíciles me alentaron a seguir adelante, anhelando que siempre me prepararan para enfrentarme a la vida.

Gracias Mamá por todo tu apoyo moral, tu cariño y tu comprensión que desde niño me has brindado, por guiar mi camino y estar conmigo en los momentos más difíciles.

Gracias Papá porque siempre has sido mi ejemplo a seguir, por enseñarme a ser perseverante y paciente, a dar pasos fijos para alcanzar mis metas, a ver los problemas con la cabeza fría y por apoyarme en todo momento.

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César Pesquera

Quiero agradecer a mis padres: Facundo Felipe Pesquera Sánchez y Martha Imelda Rodríguez Zetina por el solo hecho de darme la vida, por apoyarme en todo momento, porque siempre han estado al pendiente de mí, porque aunque ya sea padre de familia nunca han dejado de apoyarme, todo lo contrario me han ayudado muchísimo económicamente, moralmente pero principalmente por el solo hecho de estar ahí cuando más los necesito, me siento muy orgulloso de ser su hijo, porque gracias a todas sus enseñanzas, gracias a sus valores, y gracias a ellos, ya soy alguien en la vida.

Quiero agradecer a mis hermanos: Noé de Jesús Pesquera Rodríguez y Ana María Pesquera Rodríguez por apoyarme en todo momento, porque a pesar de algunas diferencias que tuvimos nunca dejamos de apoyarnos y de ver por nosotros, de estar al pendiente cuando más lo necesitamos.

También le agradezco a mi cuñada Itzel por apoyarme cuando más la necesite, por querer mucho a mi hermano y por tener a mis sobrinas Denisse y Stephanie que siempre me hacen bastantes travesuras, pero también me regalan muchas sonrisas, las quiero mucho.

A mi esposa: Brenda Monserrat Revilla Flores, por siempre estar al pendiente de mí, por cuidarme, por estar cuando más la necesito ya sea en las buenas o en las malas, por ser la persona que me llena y me hace sentir muy bien, aquella persona a quien amo y me ama, y aunque de repente existan problemitas, nunca dejare de estar con ella, ya que siempre la voy a apoyar y siempre la voy a amar por el solo hecho

de se la ad e de i hija Ya etzi U’ila i Pes ue a Revilla, uie es lo ejo ue e ha pasado, a ue

es un motivo más para echarle ganas, es mi inspiración y mi forma de vida, gracias por estar aquí nena.

También quiero agradecer al Ing. Rubén Navarro Bustos, quien me apoyo como persona y como profesor, por darme muchos consejos para ser mejor, y todavía dar más de lo que puedo dar, el esforzarme para conseguir lo que quiero.

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4

RESUMEN ... 1

AGRADECIMIENTOS ... 2

ÍNDICE ÍNDICE DE FIGURAS. ... 8

INDICE DE TABLAS ... 14

ABREVIATURAS. ... 15

TABLA DE UNIDADES. ... 15

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN ... 16

1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA. ... 17

1.2. JUSTIFICACIÓN. ... 19

1.3. OBJETIVO GENERAL... 21

1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS. ... 22

1.5. ALCANCE. ... 23

CAPITULO 2 2. INTRODUCCIÓN A LA FORMACIÓN DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 24

2.1 FORMACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES. ... 25

2.2. FORMACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA. ... 27

2.3. PROCESO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA. ... 29

2.4. CATEGORIZACIÓN DEL RAYO. ... 33

2.5. INCIDENCIA DE UN RAYO EN UNA TORRE DE TRANSMISIÓN. ... 34

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CAPITULO 3

3. COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Y FLAMEO INVERSO EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN ... 37

3.1 TIPOS DE AISLAMIENTO. ... 38

3.2. NIVELES DE SOBRETENSIÓN. ... 39

3.3. NIVEL DE TENSIÓN BASICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO POR RAYO (NBAI) ... 40

3.4. TENSIÓN SOPORTADA AL IMPULSO TIPO MANIOBRA (IDEM) ... 40

3.5. FACTOR DE SEGURIDAD. ... 40

3.6. CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. ... 40

3.7. BLINDAJE EN TORRES DE TRANSMISIÓN ... 42

3.8. FLAMEO INVERSO. ... 45

3.9. NÚMERO DE SALIDAS POR FLAMEO INVERSO. ... 47

3.10. SISTEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA, ESQUEMAS Y MEJORAMIENTO DE LOS VALORES DE RESISTENCIA A TIERRA. ... 49

3.11. REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA DE CONEXIÓN A TIERRA APLICADOS A TORRES DE TRANSMISIÓN ... 51

3.12. IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UNA TORRE DE TRANSMISION. ... 56

3.13. IMPEDANCIA DE LA PUESTA A TIERRA. ... 57

. . MÉTODO “IMPLIFICADO DE LO“ DO“ PUNTO“ PARA EVALUAR EL COMPORTAMIENTO DE UNA LÍNEA DE TRANSMISIÓN ANTE FLAMEO INVERSO. ... 59

CAPITULO 4 4. MODELADO DE PARAMETROS Y SIMULACION EN ATP PARA UNA TORRE DE 400 kV... 63

4.1. MODELADO DEL CIRCUITO DE SIMULACIÓN. ... 64

4.2. PRUEBA DE SIMULACIÓN. ... 71

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6

4.3.1 Simulación 1-Resistividad a Ω . ... 72

4.4. DESCARGA EN EL HILO DE GUARDA. ... 91

4.5 DESCARGA EN EL CONDUCTOR DE FASE. ... 108

4.6 RESULTADOS DE LAS SIMULACIONES EN TORRE DE 400 kV ... 116

CAPITULO 5 5. MODELADO DE PARAMETROS Y SIMULACION EN ATP PARA UNA TORRE DE 230 kV... 117

5.1 IMPEDANCIA CARACTERÍSTICA DE UNA TORRE DE 230 kV TIPO GATO. ... 118

5.2 MODELADO DEL CIRCUITO DE SIMULACIÓN. ... 119

5.2.1 MODELADO DE LA TORRE DE TRANSMISIÓN ... 119

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7

5.3 CIRCUITO DE SIMULACIÓN ... 121

5.3.1 Simulación 1-descarga en el hilo de guarda. ... 121

5.3.2 Simulación 2-Descarga en el Conductor de Fase ... 127

5.3.3 Simulación 3-Descarga en la Torre. ... 129

5.4 RESULTADOS OBTENIDOS PARA LA TORRE DE 230 kV TIPO GATO ... 132

CONCLUSIÓN ... 133

ANEXOS 135 ANEXO A ... 136

ANEXO B ... 137

FUENTES DE CONSULTA ... 138

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8

ÍNDICE DE FIGURAS.

Figura 1. 1 Mapa de isodensidad de rayos a tierra 1983-1993. ... 18

Figura 1. 2 Propagación de ondas por incidencias de rayo. ... 19

Figura 1. 3 Flameo inverso de la estructura de la torre hacia los conductores de fase. ... 20

Figura 2. 1 Modos de propagación de una sobretensión transitoria. a) Modo Común, b) Modo dife e ial……… 25

Figura 2. 2 Forma de o da de i pulso po a o……….. 26

Figura 2. 3 Flujos de corriente en las cercanías y en el interior de una nube convectiva……… 28

Figura 2. 4 Polarización de una gota de lluvia e u a po elé t i o………...29

Figura 2.5 Proceso de formación del rayo [8], adaptado de U a , Ligth i g dis ha ge, ……….. 29

Figura 2. 6 Categorización de los tipos de a o segú Be ge ……….33

Figura 2. 7 Impacto de un rayo en los hilos de guarda de u a to e de t a s isió ………. 35

Figura 2. 8 Efecto de una nube cargada sobre una línea de transmisión……… 36

Figura 3. 1 Tipos de aislamiento e siste as de pote ia………. 38

Figura 3. 2. Método electrogeométrico………..43

Figura 3. 3. Distancia máxima que produce falla en el blindaje………. 44

Figura 3. 4 Co epto de fla eo i ve so………. 46

Figura 3. 5 Número de salidas por flameo inverso vs. Resistencia de conexión a tierra para una torre de transmisión de 115 kV usada en CFE……… 47

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9

Figura 3. 7 Número de salidas por flameo inverso vs. Resistencia de conexión a tierra par torres de

transmisión usadas en CFE, con longitud de aislado es a de . . ……….. 48

Figura 3. 8 Agregado de sales simples en zanja alrededor del ele t odo de tie a……….. 52

Figura 3. 9 Comportamiento al impulso de la impedancia de contra antenas……… 54

Figura 3. 10 Relación entre la longitud eficaz de contra antenas y resistividad del terreno……… 54

Figura 3. 11 Configuración de dos o t a a te as………. 55

Figura 3. 12 Configu a ió de uat o o t aa te as……… 55

Figura 3. 13. Modelo cónico para cálculo de impedancia de torre………. 56

Figura 3. 14 Descarga atmosférica sobre torre………. 59

Figura 3. 15 Descarga atmosférica en u a to e de t a s isió )t= Ω, )o= Ω, Rt= Ω, ht=38. , Va o= , L ade a= . ………61

Figura 3. 16 Forma de onda de cor ie te pa a fla eo i ve so……….. 62

Figura 4. 1. Modelo geométrico de la torre de transmisión: a) Forma de la torre, b) modelo de

estudio. 65

Figura 4. 2. Arreglo de impedancias de línea que forman la impedancia de la torre. 66

Figura 4. 3. Magnitudes de los parámetros de las impedancias que forman la torre. 67

Figura 4. 4. Arreglo para simulación de la descarga atmosférica. 67

Figura 4. 5. Ventana donde se introducen los parámetros del modelo del rayo. 68

Figura 4. 6. Parámetros de la línea de transmisión. 69

Figura 4. 7.a) Esquema de simulación para análisis de flameo inverso, b) distribución de

conductores en torre. 70

Figura 4. 8. Circuito utilizado en la simulación en ATP. 71

Figura 4. 9. Resistencia al pie de torre. 72

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10

Figura 4. 11. Efectos Transitorios en las líneas de transmisión del circuito 1 74

Figura 4. 13. Efectos Transitorios en la cadena de aisladores del circuito 1 75

Figura 4. 15. Circuito de simulación 76

Figura 4. 20. Circuito de simulación 1 79

Figura 4. 23 Efectos Transitorios en la cadena de aisladores del circuito 1 81

Figura 4. 28. Flameo inverso producido en la fase C de la cadena de aisladores del circuito 1 84

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Figura 4. 40. Circuito 2 para descarga en hilo de guarda 91

Figura 4. 42. Efectos Transitorios en las líneas de transmisión del circuito 1 y 2 93

Figura 4. 45 Efectos Transitorios en la cadena de aisladores del circuito 2 94

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12

Figura 4. 62. . Flameo inverso producido en la fase C de la cadena de aisladores del circuito 1 104

Figura 4. 63. . Flameo inverso producido en la fase C de la cadena de aisladores del circuito 2 104

Figura 4. 69. Circuito para simulación de descarga en conductor de fase A. 108

Figura 4. 73. Flameo inverso producido en la fase A de la cadena de aisladores del circuito 1 111

Figura 4. 79. .Efectos Transitorios en las líneas de transmisión del circuito 1 114

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13

Figura 5. 1. Forma cilíndrica………..118

Figura 5. 2. Forma de la torre………..118

Figura 5. 3. Estructura de la torre………..……….. Figura 5. 4. Modelo de estudio………..………119

Figura 5. 5. Arreglo de impedancias implementando modelo cónico por partes para una torre de 230 kV………..120

Figura 5. 6. Tipo de modelo, número de conductores y distancia entre torres………..…..120

Figura 5. 7. Circuito simulado en ATP………...121

Figura 5. 8. Simulación de descarga en hilo de guarda……….122

Figura 5. 9. Tensiones de fase en el circuito..………..………..……123

Figura 5. 10. Tensiones en las líneas de la torre. ………..………123

Figura 5. 11. Tensiones de fase en el circuito………124

Figura 5. 12. Tensiones en las líneas de la torre, fase B sale de servicio………..124

Figura 5. 13. Tensiones del circuito……….125

Figura 5. 14. Tensiones e las fases de la to e………..125

Figura 5. 15. Tensiones en el circuito……….126

Figura 5. 16. Tensiones en las fases de la torre………..126

Figura 5. 17. En el circuito………..127

Figura 5. 18. En las fases de la torre………127

Figu a . . E el i uito……….128

Figura 5. 20. En las fases de la torre………128

Figura 5. 21. En el circuito……….129

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14

Figura 5. 23. Circuito………..130

Figura 5. 24. Fases de la torre………..130

Figura 5. 25. Circuito………..131

Figura 5. 26. Fases en la torre………..131

INDICE DE TABLAS Tabla 1. Características importantes de los rayos descendentes y ascendentes. ... 34

Tabla 2. Niveles de aislamiento al impulso por rayo normalizado para líneas de transmisión en la República Mexicana. ... 41

Tabla 3. Valores típicos de resistividad en diferentes tipos de suelos. ... 50

Tabla 4. Configuraciones de contra antenas para diferentes resistividades del terreno. ... 55

Tabla 5. Valores de distancias e impedancias de la torre de 400 kV. a) Conos verticales. b) Conos horizontales ... 65

Tabla 6. Valores a simular ... 71

Tabla 7. Resultados con valores obtenidos de las simulaciones realizadas para la torre de 400 kV, la X señaliza el valor de descarga que se aplica en cada simulación… ... 116

Tabla 8. Valores de distancias e impedancias para una torre de 230 kV ... 119

Tabla 9. Resultados de valores obtenidos en las simulaciones de la torre de 230 kV, la X señaliza el valor de descarga que se aplica en cada simulación ... 132

Tabla 10. Selección de conductor para el hilo de guarda ... 136

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ABREVIATURAS.

ATP Alternative Transients Program.

CFE Comisión Federal de Electricidad.

EPRI Instituto de investigación de la energía eléctrica (Electric Power Research Institute).

IEC Comisión Electrotécnica Internacional (International Electrotechnical Commission).

IIE Instituto de Investigaciones Eléctricas.

IEEE Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica (Institute of Electrical and

Electronic Engineers).

[image:17.612.186.411.415.666.2]

TOMEXSA Torres Mexicanas.

TABLA DE UNIDADES.

Símbolo Magnitud

V volt

V/mm volt por milímetro

V/m volt por metro

kV kilo-volt

kV/cm kilo-volt por centímetro

A Ampere

kA kilo-Ampere

ms microsegundo

mm milímetro

m metro

km kilometro

cm/s centímetro por segundo

m/s metros por segundo

C coulomb

Ω ohm

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16 CAPITULO 1

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1.1. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA.

Debido a las exigencias y a la complejidad del sistema eléctrico nacional en México, mantener los niveles de energía eléctrica dentro de los valores de operación así como de evitar la falta de suministro eléctrico son de las prioridades que se tienen por parte de Comisión Federal de Electricidad (CFE) y para lograrlo es necesario abatir al máximo las fallas de origen interno y externo al sistema. La presencia de una falla de cualquier tipo en el sistema puede provocar la interrupción en el servicio eléctrico, así como de inestabilidad en el sistema por oscilaciones de potencia, ejemplo de estas fallas son las sobretensiones originadas por la apertura de interruptores, y por descargas atmosféricas cuyo efecto no puede evitarse completamente.

En la década de los setentas los índices de salidas producidas por tormentas eléctricas en nuestro país para las líneas de transmisión eran muy superiores a los que se registraban en otras partes del mundo, debido a nuestra ubicación en una zona geográfica subtropical, por ello la CFE en colaboración con el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) desarrolló un estudio de fenómenos atmosféricos, el cual determinó que la incidencia de rayos en las torres de transmisión es muy elevada debido a los niveles isoceráunicos registrados y a la elevada altura de las torres para transmisión, como solución se determinó un sistema a tierra que proporcione baja resistencia para que la descarga atmosférica se disipe en tierra [1]. Sin embargo, cuando una descarga atmosférica incide sobre los hilos de guarda generan una sobretensión y corrientes transitorias, que al llegar a un punto de cambio de impedancia, como la torre y tierra, se producen ondas reflejadas y transmitidas en la punta de la torre, creando diferencias de potencial entre los conductores de tierra y conductores de fase. Cuando la energía que incide sobre la torre o hilo de guarda provocada por el rayo no se disipa correctamente por el sistema de tierra, el potencial entre los conductores de fase y la tierra se incrementa, pudiendo exceder la tensión de ruptura en el aislamiento y provocar flameo entre las estructuras y conductores de fase, a este fenómeno se le conoce como flameo inverso.

Como se puede observar en la figura 1.1, la mayoría del territorio nacional presenta hasta 3 rayos/km2

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19

1.2. JUSTIFICACIÓN.

Las líneas y torres de transmisión son elementos de gran importancia dentro del sistema eléctrico de potencia, pues transportan la energía generada en centrales eléctricas hasta las subestaciones reductoras y así alimentar cargas. Para este transporte, la tensión se incrementa a manera de reducir las pérdidas por efecto Joule, por lo que se necesitan aislantes con una alta rigidez dieléctrica para permitir la correcta operación del sistema. Cuando ocurren perturbaciones en los sistemas eléctricos, como las sobretensiones de origen atmosférico, los sistemas de aislamiento deben mantener sus propiedades dieléctricas. Cuando una descarga atmosférica o rayo incide sobre el sistema de transmisión, se originan tres ondas de tensión de igual magnitud. Dos de ellas viajan en direcciones opuestas desde el punto de incidencia a través del hilo de guarda. El tercero viaja desde los hilos de guarda hasta el pie de las torre de transmisión para disiparse con su conexión a tierra (figura 1.2). Si esta conexión es deficiente, el potencial se acumulará a lo largo de la estructura de la torre, hasta superar la tensión de ruptura de la cadena de aisladores y provocar una descarga hacia los conductores de fase (figura 1.3). Este fenómeno es conocido como flameo inverso o descarga disruptiva.

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Dónde:

Es la corriente del rayo,

Es la impedancia del hilo de guarda. Es la impedancia del conductor de fase,

Es la corriente que circula a través de la torre cuando incide una descarga atmosférica, y Es la resistencia al pie de la torre.

Figura 1. 3Flameo inverso de la estructura de la torre hacia los conductores de fase, [3].

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1.3. OBJETIVO GENERAL

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22

1.4. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

 Determinar cuáles son los principales parámetros que influyen en la formación del fenómeno de

flameo inverso.

 Modelar electrogeometricamente las torres de transmisión de 230 y 400 kV para la simulación en

ATP-Draw.

 Simular en ATP-Draw los principales parámetros de flameo inverso en las torres de transmisión.

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1.5. ALCANCE.

El trabajo se centra en el estudio de flameo inverso entre las líneas y torres de transmisión, para tensiones de transmisión de 230 y 400 kV, con magnitudes de onda de rayo dentro del intervalo de 15 a 90 kA, alturas de torre correspondientes a transmisión de CFE, resistividad del terreno y punto de incidencia de rayo. Con cada uno, se determinará su grado de contribución para generar el flameo inverso durante una descarga atmosférica.

Para simular la descarga atmosférica en el sistema de transmisión y la variación de sus parámetros se empleará el programa ATP (Alternative Transient Program), permitiendo definir el comportamiento del flameo a las diferentes condiciones de análisis. Se obtendrán formas de onda para cada caso, esperando establecer un patrón de comportamiento con la posibilidad de deducir una ecuación que permita considerar cada uno de los aspectos que intervienen en el flameo inverso.

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24 CAPITULO 2

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25

Las descargas atmosféricas son uno de los temas de estudio más importantes en el sector de ingeniería eléctrica, debido a los problemas que originan en los sistemas eléctricos de potencia, que habitualmente se denominan sobretensiones por rayo. Estas sobretensiones son capaces de provocar esfuerzos eléctricos en los equipos ocasionando fallas en su sistema de aislamiento. Esto evidentemente altera la continuidad del suministro eléctrico. Sin embargo este tipo de descargas mejor conocidas como rayos, permite la estabilidad del medio ambiente al liberar la energía acumulada en la atmósfera.

2.1 FORMACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES.

La sobretensión se define como cualquier valor de tensión en función del tiempo, de fase a tierra o de fase a fase, que tenga un valor pico que exceda el valor pico correspondiente máximo del equipo en condiciones normales (nominales) [4]. Las sobretensiones en los sistemas eléctricos de potencia pueden ser ocasionadas por corrientes y tensiones transitorias después de una maniobra de interruptores durante una operación normal o después de abatir situaciones de falla, a este tipo de fallas se le conoce como del tipo internas al sistema. Las sobretensiones ocasionadas por descargas atmosféricas se denominan del tipo externas [5]. Estas últimas se pueden propagar de dos modos: el modo común, que es una sobretensión asimétrica entre un conductor activo y tierra, provocando perforación en el material dieléctrico (Figura 2.1 a), el otro modo es el diferencial, que es una sobretensión asimétrica entre conductores activos y significa riesgo de daño para los elementos receptores (Figura 2.1 b).

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Las sobretensiones producen esfuerzo eléctrico en el aislamiento debido al gran campo eléctrico formado por la elevación de tensión, con el tiempo este fenómeno ocasiona el rompimiento en los enlaces del aislamiento provocando la ionización y rompimiento dieléctrico, dañando parcial o completamente el sistema aislante por lo que este tipo de fallas, estas también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones a lo largo de la red.

En la mayoría de los casos, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su magnitud, sino también a la forma de onda (Figura 2.2), ejemplo de ello es la forma de onda de las sobretensiones del tipo impulso que es de 1,2/50 , donde el primer dato hace referencia al tiempo en que tarda el impulso en alcanzar el 90 % del valor de cresta o amplitud y el segundo induzca el tiempo necesario para que el valor del impulso decreciente sea del 50 % de la amplitud [6].

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2.2. FORMACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA ATMOSFÉRICA.

2.2.1. CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA DEL AIRE.

Aunque el valor de la rigidez dieléctrica del aire es alta (30 kV/cm), su valor varia con las condiciones atmosféricas en las que se encuentre como humedad, presión, temperatura y contaminación atmosférica. En condiciones de niebla o nubes de tormentas, el gradiente eléctrico de la atmósfera se invierte rápidamente, es decir, el campo eléctrico se dirige hacia arriba. Esta nueva dirección del gradiente eléctrico, hace que el aire se cargue negativamente, provocando que los iones positivos se muevan en un campo dirigido hacia la tierra y los iones negativos escapen de ella. En estas condiciones de atmósfera se origina una corriente que se dirige hacia abajo. Finalmente la intensidad de campo crece a medida que aumenta la humedad relativa y es máxima al caer la lluvia, nieve o granizo.

2.2.2. CONDENSACIÓN DE GOTAS DE LLUVIA.

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Figura 2. 3 Flujos de corriente en las cercanías y en el interior de una nube convectiva [9].

El concepto de la carga generada en dichas capas, obedece a la fusión de dos teorías, la de Simpson y la de Wilson, [8]. Ambas establecen un predominio de cargas positivas a una altura de 7 km, y carga negativa de 2 a 7 km., pero en el espacio de 2 km la carga es irregular, y hay sub regiones de carga negativa y positiva. Las dos teorías mencionadas establecen lo siguiente:

 El roce entre partículas de hielo en la capa superior de la nube.

 La ruptura de las gotas de agua por choques o la pulverización de las mismas por corrientes de

aire, causan que las partículas de agua se carguen positivamente, y el aire con carga negativa y por las corrientes de aire verticales se transporta nuevamente hacia arriba. Sin embargo, a medida que la velocidad del aire disminuye, las partículas de agua cargadas positivamente se agrupan en gotas grandes y caen de nuevo repitiéndose el proceso.

 La absorción de iones bajo la influencia de un campo eléctrico entre nube y tierra, provoca que

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29

Figura 2. 4Polarización de una gota de lluvia en un campo eléctrico, [8]

2.3. PROCESO DE LA DESCARGA ATMOSFÉRICA.

Existen varias teorías que tratan de explicar con algún detalle las diferentes etapas de una descarga, pero hasta ahora no existe una teoría única y comprobada con la que estén de acuerdo todos los investigadores. A pesar de las diferentes teorías y experimentos, la mayoría están de acuerdo en que la descarga eléctrica atmosférica se compone de las siguientes cinco etapas que son: el encendido de la descarga, el líder escalonado, proceso de enlace, descarga de retorno y por último el líder dardo (Figura 2.5).

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30

2.3.1. INICIO DE LA DESCARGA.

Henry S. Loeb en 1968 consideró que las pequeñas gotas de lluvia que forman la carga positiva, están ubicadas en una región de algunos cientos de metros cuadrados de sección transversal, en cuya parte superior, debido a la presencia de cargas negativas N, se produce un campo eléctrico E, por lo que la mayoría de las nubes son cargadas en su base de forma negativa con respecto al potencial de tierra, en ese instante el campo eléctrico es del orden de 1x106_{V/m. Una vez que la nube de tormenta se ha}

cargado hasta el punto en que el campo eléctrico excede la rigidez dieléctrica local de la atmosfera, es decir excede la capacidad de mantener la separación de las cargas eléctricas, se genera un campo eléctrico que produce gotas alargadas, en dirección del campo [10] las cuales son más anchas en la parte inferior y más delgadas en la parte superior de la gota debido a que están dirigidas hacia la base negativa de la nube, y la velocidad de crecimiento de las gotas está entre 108_{cm/s, al inicio y 5x10}6_cm/s,

en la región de más bajo campo. El efecto de estas gotas inferiores es hacer que la región ionizada se extienda hacia abajo, debido al área restringida de la región inicial de la descarga, la contracción del flujo

descende te se á ás le ta ue la e pa sió del flujo as e de te, fe ó e o ue se de o i a Ley del

e udo para las descargas. A medida que crece el embudo, el flujo ascendente neutraliza un volumen

de carga negativa y, aunque este canal no tiene mucha conductividad, conduce carga negativa a áreas significativamente más pequeñas con una considerable intensificación del campo en las regiones más bajas. Al final del proceso ocurre una recombinación de cargas en la base de la nube, un canal de cargas negativas y aire libre de cargas. En este momento comienza a desarrollarse el líder escalonado.

2.3.2. LÍDER ESCALONADO.

Dentro de la nube la carga espacial formada por la acumulación de gotas con carga negativa crea un intenso campo eléctrico local del orden de 10,000 V/m y acelera los iones negativos rápidamente a velocidades considerables. La colisión entre los iones negativos acelerados y las moléculas de aire propician la formación de nuevos iones negativos, posteriormente una avalancha se lleva a cabo, por lo que la carga espacial y el campo eléctrico resultante crece en un período muy corto de tiempo. El fuerte campo eléctrico inicia descargas dentro de la nube, y una corriente negativa de los electrones emerge como una tenue chispa llamada líder escalonado. Estos electrones avanzan hacia la tierra y su contenido de cargas crece exponencialmente de acuerdo con la Ley de avalancha de electrones, esta ecuación se muestra a continuación:

(33)

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Donde  es el coeficiente de ionización,  el coeficiente de recombinación, ( - ) el coeficiente de

ionización efectiva y es el número de electrones en la cabeza de la avalancha y dependen

fundamentalmente de la presión y del campo eléctrico.

El líder escalonado se caracteriza, según Uman, porque:

La velocidad promedio mínima para líderes negativos descendentes es de aproximadamente 1x105 m/s.

El intervalo de tiempo entre cada paso es relativamente constante (50 s aproximadamente), por lo que

tiempos de pausa más prolongados producen pasos de mayor longitud.

La longitud de los pasos para líderes está entre 10 y 200 m con un valor promedio de 50m, esta longitud varía de acuerdo con el grado de evolución del líder escalonado.

2.3.3. PROCESO DE ENLACE.

Cuando el líder está cerca de tierra, el campo eléctrico en objetos puntiagudos (pararrayos, árboles, torres de transmisión, antenas, aristas de edificios etc.) o en irregularidades propias de la misma tierra, supera el valor de tensión disruptiva del aire y se presentan una o más descargas (rayos) que ascienden desde estos objetos al encuentro del líder descendente, es este momento se inicia así el llamado proceso de enlace. El canal principal del líder inicia con una descarga en el rango de 100 a 1000 A y una velocidad de 150 km/s, los pasos forman pulsos de corriente de hasta 1 kA. La distancia disruptiva de un rayo es quizás el factor más importante a tener en cuenta en las discusiones sobre el efecto del apantallamiento de cables en líneas de transmisión o protección de estructuras contra rayos. El trabajo realizado por Horn y Sukarno define la distancia disruptiva (RSC) como la distancia media desde la punta del líder escalonado hasta el punto de impacto sobre cualquier objeto aterrizado. Esta distancia

dis uptiva o ta ié o o ida o o adio de a ió es la dista ia a la ual el líde sie te la i flue ia

(34)

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32

2.3.4. DESCARGA DE RETORNO.

La corriente de descarga provocada por el proceso de enlace eleva el nivel del canal principal y la descarga principal a la descarga de retorno, que es una descarga positiva, y que viaja a aproximadamente a la mitad de la velocidad de la luz, y es igualar la diferencia de carga entre la nube y la tierra. La descarga principal de corriente puede ser de 100 kA o más y la temperatura de plasma en el canal principal es de un alto valor cercano a los 30,000 °K. La creación de la descarga de retorno toma lugar entre 5 y 10 y es acompañado por una onda de choque conocida como trueno. Un rayo se compone de varias descargas, que usualmente son 3 o 4 con intervalos de tiempo de 10 a 100 , después de cada descarga el canal de plasma se enfría a aproximadamente 3000 °K, dejando un camino ionizado para crear un nuevo canal conductor de plasma para la siguiente descarga.

2.3.5. LÍDER DARDO.

Después que la descarga de retorno alcanza la base de la nube y se expande lateralmente, ésta alcanza el límite de la región de descarga de la nube, aumentando el campo eléctrico y produciendo así un nuevo ciclo de carga mediante streamers que penetran alrededor de 300 m en la nube, todavía cargada. Este período está caracterizado por una intensa descarga corona de las gotas de agua, debido a la propagación de la onda ionizante al interior de la nube. Esta corona drena la carga desde una gran área a una más pequeña dejada por el líder escalonado y su descarga de retorno emergiendo de la base de la nube como un canal luminoso llamado líder dardo. La velocidad de estos líderes está entre 4x108 cm/s y 1.9x109 cm/s, dependiendo del tiempo que ha permanecido el canal dejado por la descarga de retorno.

(35)

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33

2.4. CATEGORIZACIÓN DEL RAYO.

Berger (1978) fue el primero en plantear cuatro tipos de rayos en términos de la dirección del movimiento de la descarga entre nubes y tierra (Figura 2.6): ascendente o descendente, y en términos del signo de la carga líder que inicia la descarga: positivo y negativo. La categoría 1 (rayos negativos nube-tierra) es aparentemente la más común. De acuerdo con estadísticas disponibles a nivel mundial, más del 90 % de las descargas son de esta categoría. Los tipos de descarga 1 y 3 son los que más se han estudiado en el mundo debido a su interés práctico: con causa de daños en bienes y equipos electrónicos, muertes, perturbaciones en los sistemas eléctricos de potencia y comunicaciones en incendios forestales [10]. La categoría 3 se inicia por un líder que desciende, pero el líder está cargado positivamente, por lo tanto la descarga es positiva. Menos del 10 % de las descargas en el planeta tierra son de este tipo. Las categorías 2 y 4 son iniciadas por líderes que se mueven desde la tierra hacia arriba y son llamados en ocasiones como descargas de tierra a nube. La categoría 2 del rayo es un líder con carga positiva que puede iniciar el movimiento desde la tierra hacia la carga negativa de la nube, mientras que la categoría 4 es un líder con carga negativa que puede iniciar desde la tierra hacia la carga positiva de la nube [7], [10]. En la tabla 2.1 se pueden observar los tiempos de formación de carga del rayo con sus respectivos datos de frente de onda.

(36)

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Tabla 1. Características importantes de los rayos descendentes y ascendentes.

Descripción Rayo descendente Rayo Ascendente

Medio Máximo Medio Máximo

Valor de cresta de corriente 14 000 A 218 000 A 10 A 1000 A

Tiempo de frente de onda 1 10

Tiempo hasta el valor medio 10 100 0.1 0.1

Carga (Coulomb) 100 C 300 C

Carga de rayo directo positivo 50 C 100 C

Carga de rayo directo negativo 15 C 160 C

2.5. INCIDENCIA DE UN RAYO EN UNA TORRE DE TRANSMISIÓN.

La probabilidad de que incida un rayo directamente en una torre de transmisiones es elevada en comparación con la vulnerabilidad de que incidan rayos en otras partes del sistema eléctrico. Las torres de transmisión están interconectadas por conductores a tierra, los cuales son instalados para reducir la tensión inducida en los conductores de fase por las descargas atmosféricas cercanas al suelo y proteger los conductores de fase de descargas directas por rayo. Los conductores a tierra (también llamados hilos de guarda) cuelgan por encima de los conductores de fase en la torre y son eléctricamente conectados con el marco de la torre y por medio de las torres al suelo, estos cables son colocados para proteger los conductores de fase al ser colocados para que hagan contacto con los líderes escalonados. El conductor de fase esta eléctricamente aislado de las torres principalmente por cadenas de aisladores para soportar tensiones a frecuencia del sistema y tensiones transitorias creadas por maniobra de interruptores y descargas atmosféricas. Los hilos de guarda forman un escudo para los cables de fase en contra de una descarga directa de un rayo y reducen la resistencia a tierra de la torre en el suelo seco o rocoso. El instante en el que el líder escalonado se acerca a la torre, la nube tiene un potencial E que es conducido a tierra. La diferencia de carga entre la nube y la tierra se da por una onda que viaja a la mitad de la velocidad de la luz. Las descargas toman lugar cerca de los 50 , las ramificaciones iluminan y la amplitud de la corriente se encuentra en el rango de 20 a 100 kA.

La impedancia característica de trayectoria del rayo se encuentra en el orden de la impedancia característica de las líneas aéreas de transmisión. La corriente de descarga ( ) se divide en tres partes (figura 2.7), que son la corriente de torre ( ), que pasa a través de la torre hasta llegar a tierra y la

corriente restante se divide en partes iguales viajando a través del conductor en ambos sentidos ( ), la

expresión es la que se muestra a continuación:

(37)

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Figura 2. 7Impacto de un rayo en los hilos de guarda de una torre de transmisión, [5].

Después de la descarga, la parte superior de la torre tiene una tensión inicial igual a la diferencia entre el potencial E de la nube menos la caída de tensión en la trayectoria del rayo . Tres ondas de tensión (2.3), todas aproximadamente igual a la tensión inicial en la parte superior de la torres, viajan desde el punto inicial de la descarga en la torres, una a través de la estructura de la torres y las otras dos en dirección opuesta al punto de descarga a través del hilo de guarda.

(2.3)

Donde es la tensión de la torre, E es la diferencia de potencia eléctrico entre la nube y la torre, y la caída de tensión en la trayectoria del rayo.

Las ondas de tensiones viajan con menor velocidad que la de la luz en el vacío, y cada una de las tres olas se refracta y refleja en los puntos más cercanos de transición. En la estructura de la torre. Habrá reflexiones entre la resistencia al pie y la parte superior de la torre. Las ondas de tensión que viajan en los cables de tierra se reflejan y se transmiten también a las torres adyacentes, este proceso se repite como las ondas de tensión de transmisión de viajes a lo largo del cable de tierra.

Las ondas en la dirección que van en el sentido del eje de las x positivas, son las ondas que van hacia adelante y las que van en dirección contraria son las negativas.

Para la corriente en el hilo de guarda se tiene la siguiente ecuación,

(2.4)

Donde es la corriente de retorno, y para la tensión en el hilo de guarda,

(38)

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36

Donde es la impedancia en el hilo de guarda, sustituyendo las ecuaciones anteriores en la ecuación

2.2.

_(2.6)

La tensión en la parte superior de la torre se puede calcular como:

{

}

(2.7)

La tensión y la corriente tienen la misma forma de onda que la del rayo.

Las descargas de nube a tierra pueden llegar a subestaciones, torres de líneas de transmisión, y directamente sobre las líneas de transmisión, pero un número considerable de descargas atmosféricas se realizan entre nubes. Cuando las nubes cargadas flotan sobre una línea de transmisión de alta tensión, que inducen la acumulación de carga en los conductores de línea (Figura 2.8). Cuando el rayo iguala la diferencia de carga entre las nubes, la carga acumulada lentamente en los conductores tiene que desaparecer, se dan lugar a corrientes y a sobretensiones transitorias.

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37 CAPITULO 3

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La definición de coordinación de aislamiento se refiere al análisis que comprende la selección de la capacidad de oposición o resistencia eléctrica de un equipo y su aplicación en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual el equipo será utilizado. Teniendo en cuenta las características de los dispositivos de protección disponibles, de tal manera que se reduzca a niveles económicos y operacionalmente aceptables la probabilidad de que los esfuerzos de tensión resultantes impuestos en el equipo causen daño al aislamiento o afecten la continuidad del servicio. Por lo tanto una coordinación de aislamiento nos permite seleccionar materiales para resistir los diversos esfuerzos eléctricos que se pueden presentar en la red. La coordinación de aislamiento de una red eléctrica entiende sobre las solicitaciones eléctricas y las características dieléctricas de los materiales que permiten caracterizar la capacidad de aislamiento para soportar distintos niveles de tensión sin que produzca la capacidad de aislamiento para soportar distintos niveles de tensión sin que produzca la ruptura del dieléctrico. Se trata pues de ajustar la resistencia dieléctrica de los materiales que conforman las instalaciones para soportar las sobretensiones susceptibles de aparecer durante la explotación de las instalaciones [11].

3.1 TIPOS DE AISLAMIENTO.

Se

denomina aislamiento eléctrico (elemento dieléctrico) de un dispositivo al elemento que puede soportar descargas disruptivas dentro de un intervalo definido por la rigidez dieléctrica (V/mm) el cual es particular para cada material. En una red eléctrica, cualquiera que sea su tensión nominal, se distinguen tres configuraciones de aislamiento a tener en cuenta en los estudios de coordinación tal como se muestra en la figura 3.1.

(41)

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El aislamiento de fase-tierra comprende todos los aislamientos entre los elementos en tensión y los elementos puestos a tierra, como por ejemplo, el aislamiento existente entre un conductor de una línea aérea y de apoyo que sostiene la línea o entre un borne de un transformador y la cuba metálica. El aislamiento fase-fase comprende todos los aislamientos entre las fases de una red trifásica. El aislamiento longitudinal se refiere al aislamiento entre dos partes de una red o dos redes.

Es por ejemplo, el aislamiento presente entre dos líneas de distinta tensión que se cruzan entre las bobinas de tensiones diferentes de la misma fase de un transformador o los bornes de una misma fase de un seccionador.

Cada una de las tres configuraciones de aislamiento descritas puede estar constituida por los siguientes tipos de aislamiento:

Aislamiento externo. Distancias en el aire atmosférico y en la superficie de los aislamientos de un material del contacto con la atmósfera. Por ejemplo el que constituyen las cadenas de aisladores o simplemente el existente entre un conductor de línea respecto a tierra. Este tipo de aislamiento es, en general, autoregenerativo, esto es, después de una descarga disruptiva recupera completamente sus propiedades aislantes.

Aislamiento interno. Elementos internos sólidos, líquidos o gaseosos del aislamiento de un material que están protegidos de los agentes externos. Por ejemplo, el aislamiento papel-lubricante en un transformador o el hexafluoruro de azufre (SF6) que es un gas contenido en un interruptor. Este

aislamiento en general no es completamente autoregenerativo, debido a que después de una descarga disruptiva es incapaz de recuperar totalmente sus propiedades dieléctricas [11].

3.2. NIVELES DE SOBRETENSIÓN.

Los tres niveles de sobretensión considerados en la coordinación de aislamiento son:

 Nivel 1: También llamado nivel alto. Se utiliza en los aislamientos internos, no autorecuperables (sin contacto con el aire), de aparatos como transformadores, cables o interruptores.

 Nivel 2: También llamado medio o de seguridad. Está constituido por el nivel de aislamiento autorecuperable de las partes vivas de los diferentes equipos, que están en contacto con el aire. Este nivel se adecua de acuerdo con la altura sobre el nivel del mar de la instalación y se utiliza en todos los aisladores de aparatos, barrajes y pasamuros de la subestación que están en contacto con el aire.

 Nivel 3: También llamado bajo o de protección. Está constituido por el nivel de operación de los

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3.3. NIVEL DE TENSIÓN BASICO DE AISLAMIENTO AL IMPULSO POR RAYO (NBAI)

Es el valor pico de tensión soportada al impulso atmosférico el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo referente a pruebas. Se refiere también a la potencia eléctrica del aislamiento expresado en términos de valores cresta de un valor estándar por impulso al rayo. Esta tensión se especifica solamente en seco, ya que la capacidad de los equipos para soportar estos impulsos, de manera muy general, se afecta poco por la lluvia.

3.4. TENSIÓN SOPORTADA AL IMPULSO TIPO MANIOBRA (IDEM)

Es el valor pico de tensión soportada al impulso tipo maniobra, el cual caracteriza el aislamiento del equipo en lo referente a pruebas. Se refiere a la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso por maniobra. Esta tensión se debe especificar en seco y/o bajo lluvia, ya que la capacidad de soportar de los equipos a soportar esfuerzos por maniobra tiende a reducirse bajo una lluvia de elevada precipitación. Normalmente la condición en seco se prueba para impulsos de polaridad positiva y la condición bajo lluvia para impulsos de polaridad negativa.

3.5. FACTOR DE SEGURIDAD.

Son las relaciones entre las tensiones soportadas con impulsos tipo maniobra o tipo atmosféricos y las tensiones máximas encontradas [12]. Debido al peligro de que la manipulación experimental no sea lo bastante intensa, en el sentido que no dé lugar a diferencias suficientemente grandes, es aconsejable

i lui e el diseño algu os fa to es de segu idad de odo ue puedan lograrse algunos de los valores de un estudio de campo, aun cuando fracase la manipulación experimental.

3.6. CÁLCULO DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

(43)

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Tabla 2. Niveles de aislamiento al impulso por rayo normalizado para líneas de transmisión en la República Mexicana.

Tensión nominal en kV

Tensión máxima en kV

Nivel básico al impulso

de rayo normalizado

( NBI ) kV

69

72.5

350

115

123

550

230

245

750

850

900 1050

400

450 1300

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3.7. BLINDAJE EN TORRES DE TRANSMISIÓN

El blindaje en las líneas de transmisión se realiza mediante el uso de hilos de guarda los cuales se encargan de brindar un cierto nivel de protección ante las descargas atmosféricas, esto es debido a que los hilos se encuentran aterrizados a tierra y son colocados en lo más alto de la torre lo que incrementa la probabilidad de que las descargas atmosféricas incidan directamente sobre los hilos de guarda y no sobre las líneas de transmisión, haciendo de estos una especie de pararrayos horizontales. Debido a la geometría de la torre y la ubicación de los conductores de fase e hilos de guarda en la torre,

se origina un ángulo de li daje de o i ado o o α, ue es aquel ángulo que forma la perpendicular

trazada desde el cable de guarda a tierra y la recta entre el cable de guarda y el conductor de fase superior. Mientras más pequeño es el ángulo mejor será el apantallamiento de la línea de transmisión.

Cuando una descarga atmosférica se aproxime a una línea de transmisión o a la tierra a una distancia denominada distancia de arqueo, la descarga puede hacer impacto ya sea en la línea de transmisión o en la tierra. La distancia de arqueo es una función de la carga y consecuentemente función de la magnitud de la corriente de la descarga. La siguiente ecuación permite determinar la distancia de arqueo en función de la corriente.

_(3.1)

Dónde:

= es la distancia de arqueo en metros, = es la corriente de descarga en kA.

En una línea de transmisión la descarga puede impactar en el cable de guarda, en el conductor de fase, en la torre o en las proximidades a esta. En la figura 3.2 se muestran las alternativas antes descritas. En esta figura se puede ver que el apantallamiento no es completo pues el conductor de fase no está

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Figura 3. 2. Método electrogeométrico

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Figura 3. 3. Distancia máxima que produce falla en el blindaje.

√ √

(3.2)

(3.3)

Dónde:

a= la distancia horizontal entre el cable de guarda y el conductor de fase. = altura del cable de guarda.

=conductor de fase. r= es la distancia de arqueo;

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3.8. FLAMEO INVERSO.

También llamado descarga retroactiva (back flashover) [15], es aquel fenómeno formado en la cadena de aisladores cuando una descarga atmosférica (rayo) cae directamente en la torre de transmisión, esta descarga genera una corriente que se dirige hacia el sistema de puesta a tierra, que al no poder disipar gran cantidad de la corriente generada, la corriente regresa por la torre generando una tensión entre los conductores de fase y la cadena de aisladores provocando un flameo en los mismos, afectando la confiabilidad de los conductores de fase provocando daños como salidas del sistema y sus instalaciones.

El fenómeno de flameo inverso se puede presentar desde los cables o hilos de guarda o descarga directamente en la torre, sin embargo, es raro un flameo desde los hilos de guarda hacia los conductores de fase. Al encontrar una alta resistencia de puesta a tierra en la estructura aterrizada genera una dispersión heterogénea de corriente que origina un potencial eléctrico en el brazo de la torre y el conductor de fase, cuyo repentino incremento puede llegar a superar el aislamiento proporcionado por el aire a la cadena de aisladores dando lugar al flameo entre el brazo de la torre y el conductor de fase [16]. La descarga atmosférica puede incidir tanto en una estructura, como en cualquier punto del cable de guarda entre las dos torres. El proceso de flameo inverso depende de varios factores, uno de los principales es la resistencia al pie de la torre la cual puede ser diseñada para obtener un índice de fallas por flameo Inverso.

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Figura 3. 4Concepto de flameo inverso [3].

El flámeo inverso en las torres es de las fallas más frecuentes en líneas de transmisión, por lo que para el estudio de la coordinación de aislamiento se consideran problemas ocasionados por este fenómeno. Generalmente se desprecian los flámeos inversos en los claros de las líneas y tomando en consideración los siguientes aspectos:

 Distancias conductor-conductor y conductor-estructura.

 Longitud de claro entre torres.

 Número de hilos de guarda y su posición.

 Geometría de la estructura.

 Resistencia de conexión a tierra de la torre.

 Punto de incidencia del rayo.

 Distribución de amplitudes de corrientes de rayo y formas de onda.

 Densidad de rayos a tierra de la zona.

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3.9. NÚMERO DE SALIDAS POR FLAMEO INVERSO.

Para la obtención del número de salidas por flameo inverso se consideran todos los parámetros anteriores, los cuales se varían de acuerdo a sus distribuciones de probabilidad. Los parámetros mencionados se usan en un programa de computadora para realizar el análisis y calcular el número de salidas por flameo inverso. En todos los análisis obtenidos se consideró un valor de Hg (número de rayos

por km2 al año) con valor de 2. En la figura 3.5 se muestran los resultados de estos cálculos para el nivel de tensión de 115 kV y el tipo de torre 1B1 (TOMEXSA) usada en CFE.

Figura 3. 5 Número de salidas por flameo inverso vs. Resistencia de conexión a tierra para una torre de transmisión de 115kV

usada en CFE, [3].

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Figura 3. 6 Número de salidas por flameo inverso vs resistencia de conexión a tierra para torres de transmisión de 230 kV

usadas en CFE, [3].

a) b)

Figura 3. 7 Número de salidas por flameo inverso vs. Resistencia de conexión a tierra par torres de transmisión usadas en

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49

3.10. SISTEMAS DE CONEXIÓN A TIERRA, ESQUEMAS Y MEJORAMIENTO DE LOS VALORES DE

RESISTENCIA A TIERRA.

Las funciones básicas de un sistema de conexión a tierra se pueden resumir en:

1) Proveer de una baja resistencia de dispersión de la corriente a tierra para:

a) Evitar daños por sobretensiones que se presenten por descargas atmosféricas o

maniobras.

b) La descarga a tierra de dispositivos de protección (contra sobretensiones atmosféricas o

internas)

c) Camino a tierra de corrientes de falla

d) Conectar los sistemas que usen neutro común aterrizado (más comunes)

e) Asegurar que las partes metálicas de los sistemas o equipos se encuentren al mismo potencial de tierra. Esto para protección de personal.

2) Disipar y resistir repetidamente las corrientes de falla y de las descargas atmosféricas.

Las características de los sistemas de conexión a tierra deben de:

a) Tener una resistencia a la corrosión en suelos de variada composición química, de manera

que se asegure un comportamiento continuo durante la operación del equipo a proteger.

b) Tener buenas propiedades de resistencia mecánica.

c) Tener un diseño de la red de tierras económico.

Uno de los elementos principales en una instalación de red de tierras es el electrodo de puesta a tierra. La resistencia del electrodo de puesta a tierra, llamado también varilla de tierra, tiene tres componentes:

Su propia resistencia, la cual puede ser despreciable para efectos de cálculo. Pero las conexiones entre electrodo y conductor de bajada pueden llegar a tener una resistencia considerable con el tiempo.

La resistencia de contacto entre electrodo y suelo, cuando el electrodo está libre de grasa o pintura, es despreciable. Sin embargo la resistencia de contacto puede aumentar significativamente en terrenos secos, aumentando rápidamente cuando el contenido de humedad disminuye por debajo de un 15 %.

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Tabla 3. Valores típicos de resistividad en diferentes tipos de suelos.

TIPO DE SUELO RESISTIVIDAD Ωm)

Suelo de superficie, greda, etc. 1-50

Arcilla 2-100

Arena y grava 50-100

Piedra caliza de superficie. 100-1000

Piedra caliza. 5-4000

Esquisto o pizarra. 5-100

Piedra arenisca. 20-2000

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3.11. REDUCCIÓN DE VALORES DE RESISTENCIA DE CONEXIÓN A TIERRA APLICADOS A

TORRES DE TRANSMISIÓN

Debido a que el valor de resistencia de conexión a tierra se ve afectado por las características del terreno, arreglos de las varillas de tierra y las conexiones entre ellas, los métodos de mejoramiento de los valores de resistencias de conexión a tierra en torres de transmisión hacen uso de los puntos mencionados anteriormente. Para las características del terreno se usan métodos para disminuir la resistividad del terreno por medio de sales o productos químicos. Con los arreglos de varillas de tierra se recomiendan tanto número como disposición de varillas para disminuir la resistencia de conexión para ciertas resistividades de terreno. Y por último, se recomiendan tipos de uniones para asegurar que las conexiones no pierdan sus características.

3.11.1. MÉTODOS DE MEJORAMIENTO DE RESISTIVIDAD DEL TERRENO.

A continuación se enumeran algunos de los métodos usados para reducir o mejorar los valores de conexiones a tierra:

1) Electrodos profundos.- Cuando el terreno es penetrable se puede usar este método para mejorar el valor de resistencia de tierra. A mayor profundidad se tienen mejores valores de resistividad del terreno, especialmente en terrenos donde se tienen los mantos freáticos no muy profundos. Debido a las longitudes de electrodos y los métodos para enterrar las varillas, este método puede resultar antieconómico y muy poco práctico.

2) Electrodos múltiples en paralelo.- Cuando se tienen valores de la resistividad del terreno de las capas superiores más baja que la de las capas más profundas o en casos donde no se puedan obtener las profundidades adecuadas de las varillas de tierra, se recomienda el uso de dos o más electrodos en paralelo.

3) Contra antenas.- En terrenos donde no es posible la penetración de varillas teniéndose un manto delgado de suelo sobre subsuelo de roca, se recomienda el uso de conductores enterrados a baja profundidad a lo largo de zanjas construidas específicamente para contener al conductor.

4) Hormigón armado.- El hormigón armado puede considerarse como electrodo metálico inmerso en

un medio razonablemente homogéneo (el hormigón), cuya resistividad está en el orden de los 30 Ωm.

El hormigón, a su vez está inmerso en el terreno, cuya resistividad puede variar desde 1 hasta 1000

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5) Reducción de la resistividad del suelo mediante procedimientos artificiales. En algunos terrenos con alta resistividad, las prácticas de los métodos resumidos anteriormente pueden resultar prácticamente imposibles de aplicar para obtener valores de resistencia de conexión a tierra aceptables. En estos casos puede resultar aceptable el uso de procedimientos para reducir artificialmente la resistividad del terreno que circunda al electrodo de tierra. Los métodos más usados se resumen a continuación:

5.1 Agregado de sales simples.- Un método simple de tratamiento químico de suelos es mediante sales. Esta se dispersa en una zanja alrededor del electrodo de tierra formando un círculo y tapada con tierra, sin llegar a tener contacto directo con el electrodo, como se muestra en la figura 3.8. El sulfato de magnesio, el sulfato de cobre y la sal común (cloruro de sodio), son sales que pueden utilizarse para este propósito. Una de las desventajas de este método es la degradación que existe durante las lluvias, que drenan la sal a través de la porosidad del suelo y la corrosión de la varilla. Por lo que este método no se recomienda.