• No se han encontrado resultados

PROTECCION DE LINEAS DE DISTRIBUCION, CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CON APARTARRAYOS DE OXIDOS METALICOS (ZnO)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2017

Share "PROTECCION DE LINEAS DE DISTRIBUCION, CONTRA DESCARGAS ATMOSFERICAS CON APARTARRAYOS DE OXIDOS METALICOS (ZnO)"

Copied!
155
0
0

Texto completo

(1)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

“PROTECCIÓNDELÍNEASDEDISTRIBUCIÓN,CONTRA DESCARGASATMOSFÉRICASCONAPARTARRAYOS

DEÓXIDOSMETÁLICOS(ZnO).”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE

I N G E N I E R O E L E C T R I C I S T A

P R E S E N T A :

ENRIQUE ZAPATA PÉREZ

ASESORES:

ING. FRANCISCO JAVIER PALACIOS DE LA O ING. DANIEL ANTONIO MATA JIMÉNEZ

(2)

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA

y

ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL" ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

POR LA OPCION DE TITULACION TESIS INDIVIDUAL Y EXAMEN ORAL

DEBERA(N) DESARROLLAR

C. ENRIQUE ZAPATA PÉREZ

"PROTECCIÓN DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN, CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS CON APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO)."

SE DESCRIBE LA PROBLEMÁTICA DE LAS SOBRETENSIONES DEBIDAS A DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Y LA EFECTIVIDAD DE LOS DIFERENTES ESQUEMAS DE PROTECCIÓN EN LOS SITEMAS DE DISTRIBUCIÓN, ASÍ COMO LA INFLUENCIA DEL BLINDAJE NATURAL Y LA APLICACIÓN DE APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO), EN LINEAS DE DISTRIBUCIÓN. ADEMÁS DE LA IMPORTANCIA DEL MANTENIMIENTO Y DE LAS PRUEBAS DE CAMPO REALIZADAS A DICHOS APATARRAYOS, CUMPLIENDO CON LA NORMATIVIDAD VIGENTE.

.:. INTRODUCCIÓN.

•:. ESTADÍSTICA DE LA. SAUDA DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN.

•:. EFECTO DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN. •:. CÁLCULO DE SAUDA DE LÍNEAS POR FALLA. DE BUNDAJE y FLAMEO INVERSO. •:. DETERMINACIÓN DE LA. RESISTENCIA A TIERRA Y CÁLCULO DE LA. CADENA DE

AISLADORES.

•:. GENERAliDADES DE LOS APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO).

•:. APUCACIOÓN y SELECCIÓN DE APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO). •:. PRUEBAS.

•:. CONCLUSIONES.

México D.F., A 07 de Noviembre de 2008.

ASESORES

ING. FRANCISCO JAVIER PALACIOS DE LA. O

jヲセG .'

.;"

J'

Nセセ ';' uィセセL LセLセZ

(3)

DEDICATORIAS Y AGRADECIMIENTOS

Dedicado a mi familia:

Mis padres que son y seguirán siendo mis héroes a quienes quiero y admiro mucho por que gracias a su esfuerzo y sacrificio me han enseñado y dado la oportunidad de seguir superándome. Papa! Mama!; les agradezco por confiar en mi y sobre todo por que me dieron su apoyo, su cariño y la vida. Gracias!!

Guillermo Zapata Valladares Catalina Pérez López

Mis hermanos a quienes agradezco su apoyo, confianza, ánimos, compañía, fraternidad. Y sobre todo les agradezco sus enseñanzas en la vida y sus consejos. Gracias!!

Antonio Zapata Pérez Carlos Zapata Pérez

Guillermo Patricio Zapata Pérez

A mis sobrinos a quienes espero que sigan superándose siempre. Y me gustaría que fueran si es posible mejor que yo.

Alma Patricia Zapata Mendoza Cristian Enrique Zapata Mendoza

Agradecimientos:

A Dios por darme la oportunidad de pertenecer y tener una familia excelente, por estar conmigo cuando mas lo necesito, por brindarme su acojo, la vida y sus bendiciones, por ayudarme a terminar mi carrera. Gracias Señor !!

A mi novia por su compañía y sobre todo por su apoyo.

A mis profesores a quienes agradezco sus enseñanzas, sus experiencia y por darnos las herramientas y lo necesario para alcanzar el éxito.

Al mi escuela IPN Esime-Zacatenco por abrirme las puertas y por darme los conocimientos para ser mejor persona y mejor ser humano, por haberme enseñado un profesión y sobre todo por el orgullo de ser politécnico.

(4)

INDICE

Introducción...1

CAPITULO I. ESTADÍSTICA DE LA SALIDA DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN. 1.1 Generalidades del sistema eléctrico nacional………...4

1.2 Estadística general de salida de líneas de distribución ………...…………...5

CAPITULO II. EFECTO DE LAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN. 2.1 Efectos de las descargas atmosféricas...11

2.2 Efectos producidos por la caída directa de un rayo………....13

2.3 Efectos secundarios producidos por la caída de un rayo………...14

2.3.1 La carga electrostática…….………...…14

2.3.2 Los pulsos electromagnéticos……….………...14

2.3.3 Los pulsos electrostáticos………..………...14

2.3.4 Las corrientes de tierra…...………...…14

2.3.5 El sobrevoltaje transitorio………..………...……15

2.4 Distribución de frecuencia de la magnitud y forma de onda de la corriente del rayo...…...16

CAPITULO III. CÁLCULO DE SALIDA DE LÍNEAS POR FALLA DE BLINDAJE Y FLAMEO INVERSO. 3.1 Blindaje………...19

3.2 Descargas directas a las líneas………...19

3.3 Descargas cercanas………...23

3.4 Blindaje de objetos cercanos………...25

3.5 Determinación del ángulo de blindaje para obtener un índice de salida deseado por fallas de blindaje………...25

3.6 Angulo de blindaje………...26

3.7 Determinación de la resistencia a tierra para obtener un índice de interrupciones deseado por flameos inversos………...26

3.8 Flameos inversos………...26

3.9 Efecto de la inclusión de hilo de guarda………...28 3.10 Impedancia transitoria de cable de blindaje, conductores, torres y sistemas de

CAPITULO IV.

(5)

4.1 Sistema de conexión a tierra………...31

4.2 A tierra………...33

4.3 Apartarrayos………...33

4.4 Barra de tierra………....33

4.5 Conductor de puesta a tierra………...34

4.6 Conductor puesto a tierra...34

4.7 Corriente a tierra………....34

4.8 Corriente de falla a tierra………...34

4.9 Discontinuidad………...34

4.10 Efectivamente aterrizado. ………....34

4.11 Electrodo de tierra………...34

4.12 Elevación de potencial de tierra (EPT) ………...35

4.13 Malla………...35

4.14 Red de tierra………...35

4.15 Resistencia de tierra………...35

4.16 Resistividad del terreno………...35

4.17 Sistema aterrizado………...35

4.18 Sistema de tierra………...35

4.19 Sólidamente aterrizado………...35

4.20 Subestación aislada en aire (subestación convencional) ………...35

4.21 Subestación aislada en gas (SAG) ………...36

4.22 Tensión de paso………...36

4.23 Tensión de malla………...36

4.24 Tensión de tierra………...36

4.25 Tensión de toque………...36

4.26 Tensión de toque metal a metal………...36

4.27 Tensión transitoria de la envolvente (TTE) ………...36

4.28 Tensión de transferencia………...36

4.29 Tierra………...37

4.30 Características generales del suelo………...37

4.31 Medición de la resistividad………...37

4.32 Recomendaciones para la medición………...40

4.33 Componentes que conforman el sistema de conexión a tierra para su diseño……...41

4.33.1 Terreno...41

4.33.2 Electrodos. ………...41

4.33.3 Uniones de la red………...42

4.34 Parámetros de diseño de los sistemas de tierra. ………..42

4.34.1 Área de localización (A). ………...42

4.34.2 Resistividad del terreno (p). ………...42

4.34.3 Corriente de falla ( IG ). ………....42

4.34.4 Tiempo de liberación de la falla ( tf ). ………...43

4.34.5 Perfiles de potencial………..43

4.34.6 Tensión de contacto ( Ec ). ………...43

4.34.7 Tensión de paso...44

4.35 Métodos de mejoramiento.………...45

(6)

4.37 Determinación de la longitud de la cadena de aisladores en áreas con determinada

densidad de rayos a tierra. ………...…48

4.38 Distancia conductor-apoyo………...48

4.39 Determinación de la longitud de la cadena de aisladores. ………...49

4.40 Determinación de la distancia especifica de fuga de cadena de aisladores en función de los tipos y nivel de contaminación. ………...50

4.41 Distancia especifica de fuga mínima nominal en función del niveles de Contaminación...50

4.42 Distancia especifica de fuga con diferentes opciones de aislamiento...52

4.43 Alternativa para evitar el flameo en aisladores debido a contaminación...52

4.44 Propagación de ondas en cables de blindaje y conductores de fase. ………...53

4.45 Atenuación y distorsión de onda por efecto corona……….54

4.46 Caracteristicas de flameo de aisladores...55

4.47 Efectividad de la protección...55

CAPITULO V. GENERALIDADES DE LOS APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO). 5.1 Funciones y principios de operación de los apartarrayos de óxido metálico...…...57

5.2 Diseño Constructivo de los apartarrayos de (ZnO)………...66

5.3 Configuración de los apartarrayos de (ZnO) ………...…78

5.4 Selección de la tensión de operación permanente y de la tensión nominal……...…...79

5.5 Configuración de los apartarrayos de (ZnO) 37……….81

5.6 Selección de la Corriente Nominal de Descarga………...82

5.7 Selección y Revisión de los Niveles de Protección………...84

5.8 Selección de la Envoltura………...86

5.9 Condiciones de Servicio………...…....92

5.10 Sistemas de protección contra sobretensiones mediante Apartarrayos de (ZnO) …...92

5.11 Apartarrayos de óxidos metálicos sin explosores………...94

5.12 Resistencia variable de Óxidos Metálicos...94

5.13 Tensión asignada de Apartarrayos...94

5.14 Tensión de servicio permanente de un Apartarrayos...94

5.15 Frecuencia nominal de un Apartarrayos...94

5.16 Onda de choque...94

5.17 Onda de choque de intensidad de rayo...95

5.18 Valor de cresta de una onda de choque...95

5.29 Frente de una onda de choque...95

5.20Cola de una onda de choque...95

5.21 Duración convencional del frente de una onda de intensidad...95

5.22 Rigidez convencional del frente de una onda...95

5.23 Duración convencional hasta el valor medio sobre la cola de una onda de choque....95

5.24 Enunciado de la forma de una onda de choque...95

5.25 Valor de cresta de polaridad opuesta de un choque...96

5.26 Intensidad de descarga de un Apartarrayos...96

5.27 Intensidad nominal de descarga de un Apartarrayos...96

(7)

5.30 Tensión de referencia de un apartarrayos...96

5.31 Tensión residual (tensión de descarga de un apartarrayos)...96

5.32 Característica Tensión a Frecuencia Industrial en función del tiempo de un apartarrayos...97

5.33 Características de protección de un apartarrayos...97

5.34 Características técnicas...97

5.34.1 Identificación del apartarrayos...97

5.34.2 Tensión Asignada Normales...97

5.34.3 Frecuencia Nominales normales...98

5.34.4 Valores Normales de Intensidades Asignadas de descarga...98

5.35 Elección de parámetros de protección ...98

5.35.1 Elección de la intensidad de corriente de descarga Asignada...98

5.35.2 Elección de la tensión Asignada (Ur) y Máxima de servicio continuo (Uc)...98

5.35.3 Factor de diseño (Kd)...99

5.35.4 Nivel de protección (Np)...99

5.36 Coordinación de Aislamientos...99

5.36.1 Distancia Máxima de protección (L)...99

5.36.2 Nivel de Aislamiento de la instalación a proteger (NA)...99

5.36.3 Margen de protección (MP)...99

5.36.4 Calculo de la distancia máxima de protección...100

5.37 Situación en las instalaciones...101

5.37.1 Cable aislado...101

5.37.2 Transformadores...101

CAPITULO VI. APLICACIÓN Y SELECCÓN DE APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS (ZnO). 6.1 Aplicación y selección de apartarrayos de óxidos metálicos (ZnO)...103

6.2 Aplicación de apartarrayos...103

6.3 Resistencia de aterrizamiento...105

6.4 Ejemplo...105

CAPITULO VII. PRUEBAS A APARTARRAYOS. 7.1 Manual de procedimientos de prueba para apartarrayos de subestaciones de distribución...109

7.1.1 Prueba de Resistencia de Aislamiento...109

7.1.2 Recomendaciones para realizar la prueba...109

7.1.3 Conexiones para realizar la prueba...109

7.1.4 Prueba de resistencia de aislamiento para una sección……...110

7.1.5 Prueba de resistencia de aislamiento para varias secciones……...110

7.1.6 Interpretación de resultados...111

7.2 Prueba de Factor de potencia del Aislamiento...111

(8)

7.2.2 Recomendaciones para realizar la prueba...111

7.2.3 Conexiones para realizar la prueba...111

7.2.4 Prueba de factor de potencia para una sección...111

7.2.5 Prueba de factor de potencia para varias secciones...112

7.2.6 Interpretación de resultados...112

7.3 Tipos de inspección...113

7.4 Inspección visual...113

7.5 Inspección con termovisor...114

7.6 Criterios adoptados para las inspecciones...114

7.7 El criterio para la inspección con termovisor...114

7.8 Apartarrayos de carburo de silicio...114

7.9 Apartarrayos de óxidos de zinc (ZnO)...115

7.10 Apartarrayos de media tensión...115

7.11 Pruebas de apartarrayos de media tensión...116

7.12 Nivel de protección al impulso atmosférico...119

7.13 Nivel de protección al impulso de maniobra...119

Conclusiones...121 Glosario de términos.

Índice de imágenes. Índice de tablas. Índice de Formulas. Anexos.

(9)

INTRODUCCIÓN.

Los sistemas de potencia se ven sujetos periódicamente a sobretensiones, que pueden ser de origen interno (maniobra, fallas) o externo (descargas atmosféricas). La magnitud de las sobretensiones externas recae esencialmente en el diseño del sistema, mientras que para las internas, las magnitudes se incrementan al incrementar el voltaje de operación del sistema. Al aumentar el voltaje de operación, se llaga a un punto donde el factor determinante para el diseño del aislamiento son las sobretensiones por maniobra. Hasta 300kV (aproximadamente), el aislamiento del sistema debe diseñarse para soportar principalmente los transitorios por descargas atmosféricas. Para voltajes mayores, deben considerarse transitorios tanto por rayos como por maniobra. Para voltajes de 765kV y mayores, las sobretensiones por maniobra y la contaminación de los aisladores, se convierten en el factor principal en el diseño del aislamiento.

Las descargas atmosféricas son una fuente importante de fallas (transitorias o permanentes) en los sistemas de transmisión y distribución. En México, representan un alto porcentaje del total de fallas reportadas. Estos disturbios generan consecuencias a los consumidores con diferentes grados de severidad. Los consumidores industriales que utilizan dispositivos estáticos para controlar sus procesos, puedan atravesar por graves problemas si se presentan caídas de voltajes, o interrupciones en el suministro de energía. Debido a los anteriores, es justificable realizar esfuerzos para eliminar, o al menos reducir, la frecuencia de tales fallas.

A pesar de que la protección de líneas de distribución contra descargas atmosféricas se analiza normalmente con diferentes suposiciones a las usadas para líneas de transmisión, los métodos básicos son similares. Es decir, para diseñar la protección de líneas de transmisión y distribución, se requiere analizar los siguientes puntos:

• Efecto de las descargas directas. • Efecto de las descargas cercanas.

• El comportamiento deseado de la línea analizada.

DESCARGAS DIRECTAS A LAS LINEA.

El número de rayos sobre la línea depende de la actividad de descargas para una cierta región. Esta actividad se define como densidad de rayos a tierra, y es el numero de rayos a tierra por unidad de área (normalmente km2) y por año.

Para estimar el número de rayos que golpeara directamente a una línea, se pueden usar dos métodos diferentes:

a) Considerar el número de golpes directos en base a una función.

(10)

DESCARGAS CERCANAS.

El máximo voltaje inducido en una línea debido a una descarga cercana, es una función de diferentes parámetros, como son: el valor pico de la corriente de rayo, el tiempo de cresta, la velocidad de retorno del rayo, la altura de la línea y la distancia entre la línea y el punto de golpe del rayo. Si el valor de este voltaje es mayor que el BIL de la línea, puede existir un flameo.

EL COMPORTAMIENTO DESEADO DE LA LÍNEA ANALIZADA.

Normalmente una línea de distribución no está protegida con hilos de guarda; pero si se incluyen es necesario analizar el efecto que tiene sobre el comportamiento de la misma ante descargas directas y descargas cercanas. Puesto que el nivel de aislamiento es bajo para tipo distribución, un rayo que termine en el hilo de guarda tiene muy alta probabilidad de generar un flameo inverso en el aislamiento de la misma. Ante una descarga cercana, sin embargo, la presencia de conductores aterrizados pueden reducir las sobretensiones inducidas. Uno de los parámetros que afectan notablemente el comportamiento de las líneas, es el valor de la resistencia de aterrizamiento, tanto de las torres como de los postes utilizados en sistemas de distribución.

PRUEBAS DE CAMPO PARA APARTARRAYOS.

En los sistemas eléctricos de potencia, las subestaciones de distribución son las que distribuyen a través de sus circuitos la energía eléctrica a los centros de consumo. El equipo primario de las Subestaciones debe mantenerse en las mejores condiciones operativas, para reducir las probabilidades de falla; mejorando así, la continuidad del servicio. Analizando lo anterior, es necesario que los trabajos de preparación del equipo primario para su puesta en servicio y las actividades de mantenimiento sean de calidad, para evitar la salida prematura del equipo. Se tiene la finalidad de proporcionar los elementos fundamentales de información, como apoyo en la manera de efectuar pruebas al equipo eléctrico primario.

El procedimiento se ha elaborado aprovechando la experiencia del personal técnico, e información que posee la Comisión Federal de Electricidad en sus Divisiones de Distribución. Se efectúan a los equipos que se encuentran en operación o en proceso de puesta en servicio y se consideran de la siguiente manera:

a) RECEPCION Y/O VERIFICACION. Se realizan a todo el equipo nuevo o reparado, considerando las condiciones de traslado; efectuando primeramente una inspección detallada de cada una de sus partes.

b) PUESTA EN SERVICIO. Se realizan a cada uno de los equipos en campo después de haber ser sido: instalados, ajustados, secados, etc., con la finalidad de verificar sus condiciones para decidir su entrada en operación.

(11)
(12)

1.1 GENERALIDADES DEL SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL (S.E.N.).

El sistema eléctrico nacional esta compuesto por un conjunto de Instalaciones, Centrales por la infraestructura eléctrica propiedad u operada por la C. F. E. Instalada en la República Mexicana y destinados a la prestación del servicio público de Energía Eléctrica en la forma y términos establecidos en los ordenamientos legales sobre la materia. La componente fundamental del S. E. N. es la Red Troncal constituida por el conjunto de Centrales Generadoras, Líneas de Transmisión y Transformadores que debido a su función principal de generar e interconectar las principales instalaciones y a su ubicación estratégica, se consideran de importancia vital para el SISTEMA ELÉCTRICO NACIONAL.

El S. E. N. tiene como finalidad primordial proporcionar a los usuarios actuales y potenciales

un servicio público de Energía Eléctrica que cumpla los objetivos básicos de SEGURIDAD,

CONTINUIDAD, CALIDAD Y ECONOMÍA, entendiéndose estos objetivos para fines

siguientes:

Continuidad.-La acción de suministrar ininterrumpidamente el servicio de energía eléctrica a los usuarios de acuerdo a normas legales y reglamentos vigentes aplicables (Ley de servicio publico de energía eléctrica y su reglamento).

Calidad.- La condición de tensión y frecuencia del servicio eléctrico de acuerdo a normas legales y reglamentos vigentes aplicables.

Economía.- El uso optimo de los recursos, considerando las unidades generadoras más convenientes en cada momento y la asignación de la potencia más adecuada, según la disponibilidad, el costo y el consumo del energético usado y las pérdidas de energía en la transmisión.

Seguridad.- Del sistema eléctrico nacional para evitar contingencias y que en caso que de ocurrir alguna permanezca operando sin exceder la capacidad de los equipos dentro de los rangos permitidos de voltaje y frecuencia, sin provocar afectación de carga a los usuarios.

Corresponde al CENACE (CENTRO NACIONAL DE CONTROL DE ENERGÍA) creado por la

C. F. E. y dependiente de la Subdirección de Transmisión, Transformación y Control, la

PLANEACIÓN, DIRECCIÓN Y SUPERVISIÓN DE LA OPERACIÓN DEL S. E. N., hasta las

fronteras establecidas con los sistemas de distribución de energía eléctrica, los cuales están a cargo de las divisiones de distribución de C. F. E.

La C.F.E. cuenta con trece divisiones regionales mediante las cuales establece los lineamientos específicos y normas aplicables en materia de distribución de electricidad en el territorio nacional. En coordinación con el Centro Nacional de Control de la energía (CENACE), vigila la operación de los sistemas de subtransmision y distribución. Así mismo diseña y programa los procedimientos de información de las divisiones, cuya labor coordina.

(13)

asesora a la planta industrial y al comercio nacional sobre la adecuada utilización y equipos eléctricos, a fin de fomentar el uso racional de la energía. Para llevar a cabo estas acciones, las trece gerencias divisionales aplican los lineamientos y políticas institucionales en lo relativo a distribución y comercialización de electricidad en el ámbito regional; operan y proporcionan mantenimiento a las instalaciones y equipos localizados en sus zonas de trabajo; diseñan y construyen la infraestructura necesaria para entender cada vez mejor a los usuarios del servicio, y realizan estudios sobre el pronostico anual de ventas e incrementos previsible en el número de clientes, entre otras acciones.

Estas trece divisiones de distribución son: Baja California, Bajío, Centro Occidente, Centro Oriente, Centro Sur, Golfo Centro, Golfo Norte, Jalisco, Noroeste, Norte, Oriente, Peninsular y Suroeste. Casi todas ellas comprenden varios estados del país.

1.2 ESTADÍSTICA GENERAL DE SALIDA DE LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN.

En 1977, los índices de salidas producidas por las tormentas eléctricas en nuestro país para las líneas de transmisión eran muy superiores a los que se registraban en otras partes del mundo. Por ello, se contrato al Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) para trabajar en el área de descargas atmosféricas y conexiones a tierra. Así, el IIE revisó los procedimientos de diseño de líneas de transmisión y subestaciones para los cuales se reportaban altos índices de salidas y definió un programa de investigación tendiente a mejorar los diseños existentes.

Los trabajos iniciados para abatir los índices de salidas se dividieron en dos grandes rubros: por una parte, caracterizar las tormentas eléctricas en el país, esto es, conocer el fenómeno y su intensidad, y, por otra parte, analizar el diseño de líneas de transmisión y subestaciones con el fin de establecer las necesidades de actualización para operar confiablemente bajo las condiciones meteorológicas y ambientales de nuestro territorio.

La caracterización de la frecuencia de las tormentas eléctricas. Se intuía que las descargas eléctricas de origen atmosférico eran más frecuentes en México que en otros países que dada su ubicación geográfica subtropical. Las estadísticas con que se contaba en ese tiempo correspondían a investigaciones realizadas en Europa y en los Estados Unidos, por lo que aportaban información de muy poca utilidad para conocer las condiciones prevalecientes en nuestro país, así que se comenzó a trabajar en la caracterización de la frecuencia de las tormentas con equipos detectores y registradores cuantitativos.

(14)

compararon con las de otros países. En ese tiempo se proyectaron los posibles índices de falla a veinte años, y se encontró que se tendrían cerca de cinco mil problemas al año. (Gracias a la reestructuración del diseño, dos décadas después se tienen cerca de mil fallas anuales). Se consideraron posibles soluciones: si el problema era de frecuencia, quería decir que los diseños no eran adecuados o tenían problemas de implementación. Se revisaron los diseños de las líneas y se encontró que prácticamente eran una traducción de las guías francesas de diseño. Dado este panorama, forzosamente se tenían que hacer modificaciones, así que inició el trabajo de reelaborar las el diseño de líneas de transmisión y de subestaciones sujetas a tormentas eléctricas, buscando la manera de atenuar el fenómeno. Se desarrollaron las guías atendiendo a la variabilidad del fenómeno. Así, entre 1980 y 1985 se adoptó una nueva familia de torres, con un rediseño mecánico y una configuración que permite un mejor comportamiento ante las tormentas eléctricas. De 1985 a 1988 se analizó la forma de rehabilitar y modificar la configuración de las líneas existentes. Dada la imposibilidad de renovar cerca de cinco mil kilómetros de línea, se encontraron mejoras factibles y mediante rehabilitaciones menores se ha logrado tener una operación más confiable. El (IIE) también descubrió la razón por la que las salidas de las líneas eran tan heterogéneas entre un año y otro: la situación no era un problema exclusivo del diseño de la línea, debido a que el índice de salidas varía en proporción directa de la intensidad y variabilidad de los fenómenos meteorológicos. Por lo anterior, se establecieron límites de diseño; es decir, se contemplaba que cada línea, dependiendo de su diseño y ubicación fuera afectada en forma promedio por cada evento. Hacia 1993 se definió una metodología para instalar apartarrayos de línea de manera selectiva de acuerdo con la información de la intensidad de las tormentas eléctricas y de la estadística de operación de las líneas. Con esto se está logrando disminuir a la mitad o hasta la tercera parte la incidencia de fallas en líneas que continúan siendo problemáticas.

El sistema de conexión a tierra es una de las formas de controlar las interrupciones por tormentas eléctricas es utilizando sistemas adecuados de conexión a tierra en líneas y en subestaciones. Cuando se comenzaron a revisar los de diseño se tuvieron que abordar estos sistemas. En 1978 se llegó a la conclusión de que era conveniente que el (IIE) se asociara con un grupo extranjero en Montreal, Canadá. Se adquirió software que ese grupo había desarrollado y que se aplicaba a subestaciones y centrales de producción, y se implantó una metodología de diseño basada en características propias en lo que a resistividad del terreno e intensidad de las tormentas eléctricas se refiere. Esta labor permitió que se pudiera contar con un procedimiento actualizado para el diseño de los sistemas de tierra tanto para subestaciones como para líneas de transmisión. En 1983 se desarrolló un programa, todavía más adecuado a las necesidades. El programa original era más académico, tenía una gran variedad de métodos de solución teóricos, el nuevo desarrollo, al estar basado en una metodología más práctica, con menos soluciones teóricas, pero aplicable a subestaciones tanto convencionales como aisladas en hexafloruro de azufre (SF6), incrementó la capacidad del (IIE) para el análisis y solución de esta problemática. En 1985 se implantó una nueva metodología de diseño del sistema de conexión a tierra con base en la nueva programación desarrollada.

(15)

pretendió construir una red de tierras en la que enterraba del orden de 30km de conductor. Los diseñadores apoyados por los especialistas del (IIE) rediseñaron el sistema de conexión a tierra. Para entonces ya se había establecido la nueva metodología propuesta por el Instituto y que existía sólo en pocas empresas eléctricas del mundo. El diseño obtenido sólo requirió unos cinco kilómetros de conductor. El contratista adoptó la propuesta del (IIE), pues se le mostró que el diseño cumplía con los criterios establecidos por la guía 80 del IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.), pero se lograba optimizar la longitud del conductor. A partir de entonces es de uso común el SISCONTI (Sistema de Conexión a Tierra).

El SISCONTI es una herramienta que, a través del uso de la computadora, permite analizar

cómo funcionará un sistema de conexión a tierra en una instalación eléctrica cualquiera tanto en condiciones de operación normales como anormales de la red eléctrica. La metodología desarrollada por el (IIE) para los sistemas de conexión a tierra también se ha enfocado a la problemática de operación de equipos sensibles, utilizándose para la adecuación y diseño de los sistemas de conexión a tierra del simulador de Valle de Bravo, del de Laguna Verde y el del Metro, y recientemente para sistemas de almacenamiento de hidrocarburos y centros de telecomunicaciones en Petróleos Mexicanos. Los resultados Veinte años después, el sistema de transmisión presenta índices de salidas por descargas atmosféricas del orden de una quinta parte de las fallas que ocurrían en los años setenta. El trabajo hecho en transmisión se está extrapolando a distribución, donde el efecto es mayor. También se incorporaron algunos procedimientos de diseño y de protección para tener una metodología que permita redes con mayor confiabilidad y mejores instalaciones.

(16)

isodensidades de rayos a tierra de la república mexicana. Finalizaron las investigaciones relacionadas con la coordinación de protecciones.

En 1989. Se evalúan nuevas opciones de protección como apartarrayos de óxido de zinc y aisladores de entrehierro con limitadores de corriente en líneas en operación.

(17)
[image:17.612.129.486.344.572.2]

tendientes a evaluar el uso de compensación serie controlada por tiristores permitieron evaluar escenarios de demanda máxima a diez años en la interconexión del sistema peninsular y el Sistema Interconectado Nacional. Se determinó que en caso de problemas derivados de la puesta en operación de centrales de generación en el área peninsular, es posible en el corto plazo implementar esquemas de compensación que permitan no sólo incrementos en la transferencia de potencia entre sistemas sino, además, el amortiguamiento de oscilaciones de potencia. En 1997. En relación con el diseño y la especificación de sistemas eléctricos dedicados al suministro de cargas no lineales, se implementó una metodología para el análisis de sistemas delicados que operan con elevada distorsión armónica. En la metodología se contempla la especificación de los equipos principales con el generador, el transformador y, en caso necesario, filtros de armónicas. Esta metodología se aplicó en la implantación de un sistema artificial de extracción de crudo en la sonda de Campeche. Se aplicó una metodología para el diseño de esquemas de suministro y conexión a tierra de equipo sensible a sistemas de cómputo y telecomunicaciones. En 1998. Se realizó una evaluación de los índices de confiabilidad de los arreglos de subestaciones, para la evaluación se utilizó una metodología de análisis desarrollada por el Instituto con base en técnicas de investigación de operaciones. Dicha metodología permite realizar una evaluación eficiente de grandes redes eléctricas.

(18)
(19)

2.1 EFECTOS DE LAS DESCARGAS ATMOSFERICAS.

De las ondas debidas a rayo, sólo llegan a la subestación aquellas cuya magnitud es inferior al nivel de aislamiento de la línea y que, por lo tanto, no alcanzan a contornear los aisladores de la instalación. Estas ondas pueden ser de polaridad positivas o negativas, predominando estas últimas.

A la hora de diseñar nuestro sistema de protección contra efectos atmosféricos debemos tener en cuenta que deben cubrirse las siguientes necesidades:

a. Protección de edificaciones y estructuras. b. Protección de torres de comunicación. c. Protección de líneas aéreas.

d. Otros tipos de protección.

La fascinación y temor por los fenómenos metereológicos es un fenómeno que nos acompaña desde la antigüedad. El rayo corresponde a una descarga eléctrica en la atmósfera, que se produce entre una nube y la superficie, o entre dos nubes. El aire, desde el punto de vista eléctrico es un buen aislante. Sin embargo, cuando la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos supera un cierto valor límite, en torno a los 30.000 volts, se produce la ruptura dieléctrica de éste, haciendo que el aire sea conductor eléctrico y se produzca una masiva descarga eléctrica en la forma de un rayo.

En su trayectoria, el rayo transporta corrientes eléctricas que pueden llegar como término medio a 30.000 Amper (en el hogar, las intensidades eléctricas están en torno a los amperios con voltajes de 220V) durante millonésimas de segundo con potenciales que se han llegado a estimar en valores que sobrepasaban los 15 millones de voltios, pudiendo llegar incluso a los 200 millones.

El aumento de temperatura en los puntos por donde pasa la descarga (hasta un valor cercano a 30.000°C) y el brusco aumento de presión debido al calentamiento asociado generan una gran luminosidad (relámpago) y ondas de sonido que constituyen el trueno. La velocidad de propagación del sonido en el aire es del orden de 1200km/h, de modo que el tiempo transcurrido entre el avistamiento del relámpago y el trueno permite estimar la distancia del observador al punto de ocurrencia del rayo.

(20)

Si se escucha el "crack" o "boom” seco de un trueno, es porque la descarga eléctrica ha ocurrido cerca (<100 m).

[image:20.612.225.384.226.374.2]

Las nubes no son elementos eléctricamente neutros. Se sabe que la zona inferior de las nubes de tormenta tienen densidad de carga negativa, mientras que la superior la tiene positiva. A pesar de que no existe una teoría que explique en su conjunto el fenómeno de ionización de las nubes, una de las investigaciones más extendidas apunta que las gotas grandes de vapor de agua en suspensión al ser empujadas por una fuerte corriente ascendente de aire, se quedan cargadas positivamente, mientras que el aire a su alrededor queda cargado negativamente. Así pues, podemos decir que la estructura eléctrica de una nube es la siguiente:

Fig. 2 Rayo.

Esta distribución de carga negativa en la parte inferior de la nube, hace que en la región de tierra que se encuentre debajo de ella aparezca una distribución de carga positiva. La diferencia de potencial entre la zona superior de la nube y la inferior, o entre la inferior y la tierra, puede ser tan elevada que puede llegar a los 10.000 volts.

Alcanzados esos 10.000 volts el aire, que normalmente es aislante, deja pasar el exceso de carga negativa, produciéndose el fenómeno del rayo o el relámpago. Este valor de tensión de ruptura varía con las condiciones atmosféricas, y es favorecido por la humedad ambiental “Denominamos rayo” a la descarga eléctrica entre una nube y la tierra, mientras que se denomina “relámpago” a la descarga producida en el interior de la nube.

Ambos se originan en los cumulonimbos o nubes de tormenta, que están en la zona intermedia de la troposfera, y tal como hemos visto se originan por la distribución de carga en la nube llegando a elevados valores de potencial eléctrico. Pese a que los rayos se originan normalmente desde las nubes y llega a la tierra, en ocasiones, la distribución de cargas es tal que el rayo se origina desde la tierra y llega a la nube.

Podemos distinguir lo siguiente tipos de fenómenos eléctricos atmosféricos:

(21)

b. Rayo entre - nubes: ocurre entre centros de carga en dos diferentes nubes con la descarga recorriendo el espacio de aire que hay entre ellas, que puede llegar a de 20 Km.

c. Rayo nube - tierra: es el más dañino y peligroso aunque, por fortuna, no es el más común. La mayoría se originan cerca del centro de carga negativo de la nube de tormenta y liberan carga negativa hacia la tierra. Será en este tipo en el que nos centremos.

Existen otros fenómenos eléctricos tales como las descargas de efecto corona, comúnmente conocidas como "fuegos de San Telmo", pero tienen mucha menor intensidad. Los rayos son señales eléctricas de alta frecuencia, gran potencial y alta corriente, por ello, son causa de interferencias en sistemas electrónicos. Por ello, para dirigir a tierra las descargas atmosféricas se requiere de las técnicas para señales en altas frecuencias.

A la frecuencia debida a la descarga del rayo, la impedancia de un cable de cobre usado en las puestas a tierra (de unos 1.64uH/m) presenta un carácter predominantemente inductivo. En conductores de más de 10 metros la impedancia que representan es muy elevada, lo cual impide la conducción de la corriente. Como los rayos se reflejan como cualquier onda de alta frecuencia, es básico que la impedancia a tierra sea baja para la descarga, ya que todas las partes del sistema conectadas a tierra, elevarán y bajarán su potencial con respecto de tierra al tiempo de la descarga.

2.2 EFECTOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DIRECTA DE UN RAYO.

Los efectos directos de un rayo son la destrucción física causada por el impacto de los que pueden resultar incendios. Cuando un impacto directo golpea una instalación donde hay materiales combustibles, pueden estar expuestos al rayo, al canal del rayo o al efecto de calentamiento del rayo, produciéndose importantes incendios.

Cuando cae un rayo en una instalación siempre buscará el camino a tierra de más baja impedancia y por él circulará hasta tierra. Si el conductor tiene algún equipo eléctrico conectado a un equipo y es atravesado por esa corriente, muy probablemente será destruido. Si bien la caída directa del rayo es la más devastadora, también es la más improbable.

2.3 EFECTOS SECUNDARIOS PRODUCIDOS POR LA CAÍDA DE UN RAYO.

Los efectos secundarios de un impacto de rayo directo o cercano a una instalación incluyen:

2.3.1 LA CARGA ELECTROSTÁTICA.

(22)

3.2 LOS PULSOS ELECTROMAGNÉTICOS.

Los pulsos electromagnéticos, son el resultado de los campos electromagnéticos transitorios que se forman por el flujo de corriente, a través del canal de descarga del rayo. Después de que se establece el canal de descarga del rayo entre la nube y la tierra, llega a formarse un camino tan conductivo como un conductor eléctrico. La corriente de neutralización comienza a fluir rápidamente y produce un campo magnético en relación a la misma. Ya que estas corrientes de descarga crecen rápidamente y alcanzan corrientes pico de cientos de miles de amperios, los pulsos magnéticos que ellos crean pueden ser muy significativos. El voltaje inducido resultante (EMP) dentro de cualquier grupo donde existen varios cables que corren paralelamente, puede también ser muy significativo.

2.3.3 LOS PULSOS ELECTROSTÁTICOS.

Los transitorios atmosféricos o pulsos electrostáticos, son el resultado directo de la variación del campo electrostático que acompaña a una tormenta eléctrica. Cualquier conductor suspendido sobre la superficie de la tierra, está inmerso dentro de un campo electrostático y será cargado con un potencial en relación a su altura, sobre la superficie de la tierra. Por ejemplo, una línea de distribución o telefónica aérea, a una altura promedio de 10 metros sobre la tierra, en un campo electrostático medio, durante una tormenta eléctrica, se cargará con un potencial de entre 100kV y 300kV con respecto a la tierra.

2.3.4 LAS CORRIENTES DE TIERRA.

La corriente transitoria de tierra es el resultado directo del proceso de neutralización que sigue a un impacto de rayo. El proceso de neutralización, es consumado por el movimiento de la carga a lo largo o cerca de la superficie de la tierra, desde el punto donde se induce la carga, hasta el punto donde termina el rayo. Cualquier conductor enterrado o cercano a esa carga, proveerá un camino más conductivo desde el punto donde se inicia, al punto donde termina el rayo. Esto induce un voltaje en relación con la carga, que se maneja en esos conductores, lo cual otra vez está relacionado con la cercanía a donde el rayo impactó. A este voltaje inducido se le llama "corriente transitoria de tierra" y aparece en alambres conductores, tuberías y otras formas de conductores.

Aunque el proceso de descarga es muy rápido (20 microsegundos) y la relación de crecimiento al pico es tan pequeña como 50 nanosegundos, el voltaje inducido será muy alto. La terminación de un rayo de retorno en la tierra puede causar los efectos siguientes:

• Puede causar arqueos a través de la tierra a tuberías de gas adyacentes, cables o sistemas de tierra.

(23)

2.3.5 EL SOBREVOLTAJE TRANSITORIO.

Se produce como consecuencia de los anteriores y pueden causar graves daños en los equipos o sistemas si no están convenientemente protegidos. La carga electrostática (y consecuentes arcos secundarios) es lo más común.

Como ejemplo tenemos la carga electrostática y los pulsos electromagnéticos que inducen altos voltajes transitorios en cualquiera de los conductores eléctricos que se encuentren dentro del área de influencia de esos transitorios. Estos transitorios causarán arqueos entre alambres o cables conductores y entre tuberías y tierra. Los arcos o chispas de corriente electrostática en un punto vulnerable, pueden iniciar incendios o explosiones. Además estos sobrevoltajes pueden llegar por los conductores hacia los equipos o sistemas que estén dentro del área de influencia causando fallos y averías en los mismos si estos no están protegidos contra las sobretensiones. Debemos tener en cuenta que en un radio de 1 a 5 km desde el punto de impacto de un rayo, las instalaciones electrónicas pueden ser perturbadas y en ocasiones destruidas.

Las formas en que se acoplan las interferencias producidas por el rayo son:

a. Acoplamiento resistivo: al caer un rayo sobre una construcción o sobre la tierra, se produce una elevación del potencial eléctrico que afecta a las tuberías y a los cables enterrados y viajan a través de ellas hasta penetrar en las edificaciones. Especial riesgo corren, como es de suponer, los cables y tuberías aéreas. Así, un rayo es capaz de inducir corriente de 1 a 5kA y 5kV en cables subterráneos, y de 3kA y 6 kV en cables aéreos.

b. Acoplamiento inductivo: Las enormes corrientes del rayo al caer a tierra mediante descargadores establecen un camino que genera un campo electromagnético que induce a otros conductores, de fuerza principalmente por que no están apantallados, voltajes destructivos de varios kV.

c. Acoplamiento capacitivo: Debido a la naturaleza de alta frecuencia de los rayos se acopla capacitivamente entre arrollamientos de Alta a Baja tensión (transformadores). Provocando fallas en las fuentes de equipos electrónicos que son más sensibles y débiles.

Los efectos secundarios no siempre son fácilmente identificados como la causa o el mecanismo del rayo. La protección convencional o protección primaria no influirá ni reducirá ninguno de los efectos secundarios, sin embargo si que aumenta el riesgo de un evento. Las puntas Apartarrayos o terminales aéreos atraen el rayo y fortalecen una terminación del impacto muy cerca de la zona de influencia, causando interferencias con los equipos existentes.

El número de rayos a una línea en terreno plano se puede calcular usando la siguiente fórmula:

10 ) 2

( R b

N

N Cr

g L

(24)

Donde:

Ng = Densidad de rayos a tierra de la región en número de rayos a tierra por kilómetro

cuadrado por año.

RCr = Radio crítico de atracción en metros

b = Ancho de la línea en metros.

2.4 DISTRIBUCIÓN DE FRECUENCIA DE LA MAGNITUD Y FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DEL RAYO.

En la figura 2.1 se muestran las distribuciones de frecuencia de las magnitudes de corriente del rayo (polaridad negativa), obtenidas por: CIGRE (línea continua) y la adoptada por IEEE (línea punteada). La curva dada por CIGRE se obtuvo con 408 observaciones en estructuras de menos de 60 m de altura en diferentes partes del mundo. La curva de IEEE es una aproximación matemática de la curva de CIGRE.

Para efectos de cálculo, una representación simple de la curva probabilística de la magnitud de corriente del rayo de IEEE es la siguiente:

6 . 2 ) 31 ( 1

1 ) (

I I

P + =

Donde:

[image:24.612.228.399.435.622.2]

P(I): es la probabilidad de exceder un valor de la corriente I.

(25)
(26)

3.1 BLINDAJE.

Es una malla formada por cables de guarda que se instala sobre la estructura de la subestación.

Cables de guarda.- Se entiende por cables de guarda una serie de cables desnudos, generalmente de acero, que se fijan sobre la estructura de una subestación, formando una red que actúa como blindaje, para proteger partes vivas de la subestación de las descargas directas de los rayos.

La red de cables de guarda actúa como contra parte del sistema de tierras. A veces se complementa o se sustituye por una serie de bayonetas de tubo de acero galvanizado, también conectadas a la red de tierras de la instalación, que se fijan en la parte superior de los remates de las columnas de la estructura de la subestación.

3.2 DESCARGAS DIRECTAS A LAS LINEA.

El número de rayos sobre la línea depende de la actividad de descargas para una cierta región. Esta actividad se define como densidad de rayos a tierra, denotado por Ng, y es el numero de rayos a tierra por unidad de área (normalmente km2) y por año.

Para estimar el número de rayos que golpeara directamente a una línea, se pueden usar dos métodos diferentes:

c) Considerar el número de golpes directos en base a una función. En uno se propone la siguiente relación para líneas de distribución:

(

b 28h0,6

)

/10

Ng

Nd = + ...(1)

Donde:

Nd: Número de descargas en la línea (por 100km de línea). Ng: Densidad de rayos a tierra (km2/año).

b: Distancia horizontal entre los conductores exteriores (m). h: Altura de la línea sobre la tierra (m).

Por ejemplo, para una línea con una altura de 10 m, considerando una distancia despreciable entre los conductores exteriores y un valor de Ng= 1, se tiene que el número de descargas directas a la línea es de Nd= 11,14 por cada 100km de línea y por año.

Mientras que para líneas de transmisión, se recomienda la siguiente formulación:

(

4h1,09 b

)

/10

Ng

(27)

Donde:

Nl: Número de rayos en la línea/100km/año Ng: Densidad de rayos a tierra/km2/año h: Altura de los hilos de guarda.

b: Separación entre hilos de guarda.

d) Considerar el modelo electrogeométrico para estimar el número de rayos que golpeara a la línea. Figura 3 muestra el concepto general del modelo electrogeométrico. Puede observarse como existen “radios de atracción” o “distancias criticas” que hacen de cada uno de los diferentes elementos de la línea (hilos de guarda, conductores de fase) y de la tierra. Estas distancias están relacionadas con la corriente de pico prospectiva del rayo, por la siguiente relación general:

b

AI

r

=

...(3)

Donde:

r: Radio de atracción (Rg para la tierra, Rc para los conductores). I: Corriente pico prospectiva del rayo.

A,b: Parámetros del modelo electrogeométrico.

En general, las distancias Rg y Rc no son consideradas de igual manera (Rg=tierra-rayo, Rc=conductor-rayo), como se muestra en la tabla 3. El punto esperado del golpe de rayo, es aquel cuya zona de atracción sea cruzada primero por la trayectoria considerada del rayo. Nótese que cada arco está calculado de acuerdo a la corriente prospectiva del rayo. Normalmente, las distancias a los hilos de guarda y a los conductores son consideradas iguales. Ver tabla 3.

Fuente A tierra b tierra A conductor b conductor

Young,et al Armstrong Whitehead Love Eriksson IEEE 27,0 6,0 6,4 10 0 8,0 0,32 0,80 0,75 0,65 0 0,65 27 6,7 7,1 10 0,67H0,6 8,0 0,32 0,80 0,75 0,65 0,74 0,65

Tabla 3 Presenta diferentes ecuaciones para las distancias criticas.

Donde:

(28)

Fig. 3 Modelo Electrogeométrico.

La distancia mínima a los conductores en la que un rayo golpeara directamente a la línea, denotada por ymin se calcula como:

ymin = r2−

(

rh

)

2 si r ≥ h

ymin = r si r < h...(4)

La figura 3.1 muestra una grafica donde se observa la relación entre la corriente de rayo y la distancia crítica de golpe directo. Los rayos bajo la curva golpean a la línea, los rayos sobre la curva caen a tierra. Puesto que algunos autores proponen distancias de atracción diferentes entre conductores y tierra, se muestra también una curva considerando que la distancia de golpeo para la tierra es 0,9 veces el valor definido en la ec.(4). Puede observarse que si se consideran iguales los radios de atracción, se tienen valores menores en cuanto al número de rayos que caerían sobre la línea.

Fig. 3.1 Curva de distancia crítica para determinar golpes directos a la línea.

(29)

⋅ ⋅ ⋅

⋅ =

0

) ( ) min( 2

,

0 Ng y I p I dI

Nd ...(5)

Donde:

p(I): Función de densidad de probabilidad de las amplitudes de las corrientes de rayo

Si se considera p(I) como en la formula anterior, con los valores usados anteriormente para la línea de distribución, y el modelo propuesto por IEEE, se obtiene un valor de Nd= 7,8 contra 11,4 obtenido con la ecuación (1) indicando que es un método más conservador.

Dado que el nivel básico de aislamiento (BIL) de las líneas de distribución es relativamente bajo, que los valores típicos de impedancia transitoria de los conductores son iguales o mayores a 300Ω, y que normalmente no se protegen con hilos de guarda, se puede concluir rápidamente que cualquier rayo que golpee directamente la línea originará un flameo en el aislamiento de la misma. Esto, sin embargo, no se puede aplicar a las líneas de transmisión que se encuentran normalmente protegidas con hilos de guarda. En este caso, un rayo que golpea a la línea puede terminar en los hilos de guarda o en los conductores de fase (falla de blindaje). La probabilidad de que ocurra una falla de blindaje debe calcularse para cada diseño, ya que estas fallas representan un cierto porcentaje del número total de salidas de la línea de transmisión. Las fallas de blindaje están asociadas normalmente con valores de corriente de rayo pequeñas (hasta 15kA); puesto que el BIL de las líneas de transmisión es mayor que el de las líneas de distribución, una falla de blindaje no significa necesariamente que habrá un flameo en el aislamiento.

Si el rayo golpea a los hilos de guarda, crea ondas de corriente que generan diferencias de potencial a través del aislamiento de la misma: si esta diferencia de potencial excede la resistencia de aislamiento, ocurre un flameo. Este flameo se conoce como flameo inverso, el número de flámeos por 100km por año se conoce como porcentaje de flámeos inversos. La figura 3.2 muestra una línea de transmisión que recibe una descarga atmosférica, y se trata de presentar el concepto general del flameo inverso. Se muestra solo un hilo de guarda en el copete de la torre (Tt), y una fase (Ta) suspendida por la cadena de aisladores. La torre muestra la resistencia de conexión a tierra, y las ondas viajeras se muestran en el hilo de guarda y el conductor de fase.

(30)

El máximo voltaje producido en el aislamiento de la torre ocurre cuando un rayo termina en la torre. De manera que generalmente se evalúan estos eventos para conocer el comportamiento de la línea.

En la figura 3.3 se muestra el voltaje en el copete de una torre y al pie de ella, considerando que se aplica una corriente de rayo con una forma de doble rampa. Se puede observar como la forma resultante de voltaje cambia de pendiente antes de llagar al valor máximo. Esto debido a las reflexiones que se presentan en la misma torre. La grafica esta hecha considerando que no existen reflexiones por torres cercanas, o dicho de otro modo, que el claro entre torres es lo suficientemente grande como para considerar que las reflexiones de torres adyacentes se tardan en llegar.

Es importante, sin embargo, comentar que si la distancia entre torres es lo suficientemente pequeña, las reflexiones que llagan a la torre donde cae el rayo, disminuyen el valor de la sobretensión que se presenta.

Fig. 3.3 Voltajes calculados en el copete y al pie de una torre al recibir una descarga atmosférica.

3.3 DESCARGAS CERCANAS.

El máximo voltaje inducido en una línea debido a una descarga cercana, es una función de diferentes parámetros, como son: el valor pico de la corriente de rayo, el tiempo de cresta, la velocidad de retorno del rayo, la altura de la línea y la distancia entre la línea y el punto de golpe del rayo. Si el valor de este voltaje es mayor que el BIL de la línea, puede existir un flameo.

(31)

⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ ⋅ = 2 1 1 2 1 1 2 0 vv vv y h I Z Vmáx ...(6) Donde: : 500 1 1 I vv +

= Relación entre la velocidad de la luz y la velocidad de retorno del rayo.

I: Corriente de rayo (KA)

Zo: Impedancia del canal de la descarga (30Ω) h: Altura de la línea (m).

Y: Distancia entre la línea y el canal de descarga del rayo (m)

[image:31.612.226.400.320.507.2]

La figura 3.4 se muestra la grafica que relacionan los valores del máximo voltaje inducido para ciertos valores de corriente del rayo contra la distancia entre el rayo y la línea.

Fig. 3.4 Voltaje (kV) inducido a una cierta distancia para diferentes valores de corriente de rayo.

(32)
[image:32.612.243.385.109.274.2]

23,4 a 16 el número de flámeos de la línea, es decir disminución del 32% en el numero de flámeos (23,4-16/23,4=0,32).

Fig. 3.5 No. De Flámeos/100 k km/año vs. BIL se considera h= 10 m y Ng= 1

3.4 BLINDAJE DE OBJETOS CERCANOS.

Para líneas de distribución en áreas construidas o bosques, los árboles y los edificios cercanos pueden interceptar un número significante de rayos directos. El factor de blindaje se define entonces como la porción de rayos directos que son interceptados por objetos cercanos. El número de rayos directos a la línea considerando este factor es:

) 1

( FB

Nd

Nb = − ...(7)|

Donde:

Nb: Numero de golpes directos a la línea ajustado FB: Factor de blindaje

Nd: Número de golpes calculado sin blindaje de objetos cercanos.

El factor de blindaje en áreas urbanas cercanas a casas y árboles, puede variar de 0,3 hasta 0,5, pero esta disminución de caídas directas, puede incrementar el número de salidas por descargas cercanas. Este tópico es normalmente despreciado, aunque hace falta un análisis más cuidadoso sobre los efectos que pudieran tener en las salidas por descargas de la línea.

3.5 DETERMINACIÓN DEL ANGULO DE BLINDAJE PARA OBTENER UN INDICE DE SALIDAS DESEADO POR FALLAS DE BLINDAJE.

(33)

3.6 ANGULO DE BLINDAJE.

La figura 3.6 muestra la variación del ángulo de blindaje, θ0, de positivo a negativo, al variar

la posición del hilo de gurda con respecto a un conductor de fase para un tipo de torre. El objetivo de la selección del número de hilos de guarda y su posición es el de interceptar los rayos y reducir las fallas de blindaje a un número aceptable.

Fig. 3.6 Variación del ángulo de blindaje para un tipo de estructura de torre.

3.7 DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA A TIERRA PARA OBTENER UN INDICE DE INTERRUPCIONES DESEADO POR FLAMEOS INVERSOS.

El proceso de flámeos inversos 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 flámeos inversos.

3.8 FLAMEOS INVERSOS.

Cuando se tiene una descarga atmosférica en el hilo de guarda se crean ondas transitorias de corriente y de voltaje que viajan hacia ambos lados del conductor, como se muestra en la figura (3.7).

(34)
[image:34.612.205.399.551.691.2]

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.

Los flámeos inversos en las torres son más frecuentes. Por lo que para el diseño de protección por flámeos inversos se deben considerar problemas por flámeos inversos en las torres, despreciando los flámeos inversos en los claros de las líneas. En general el flameo inverso es influenciado por los factores siguientes:

• 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 rayo a tierra de la zona.

• Tensión de operación de la línea.

(35)

3.9 EFECTO DE LA INCLUSIÓN DE HILOS DE GUARDA.

Cuando se considera un diseño adecuado de la posición de los hilos de gurda, se espera que la mayoría de los rayos a la línea sean interceptados por éstos. Como se comento anteriormente, es necesario analizar si ocurrirá un flameo inverso al presentarse esta situación. Actualmente se considera que las líneas deben protegerse con hilos de guarda que tengan ángulos de blindaje de cero grados, e incluso con ángulos negativos. Utilizando el modelo electrogeométrico, es posible determinar un “ángulo de blindaje perfecto”, es decir un ángulo tal de manera que las fallas de blindaje no se presenten, siendo necesario analizar solamente el comportamiento ante flámeos inversos.

Normalmente, una línea de distribución no está protegida con hilos de guarda; pero si se incluyen, es necesario analizar el efecto que tiene sobre el comportamiento de la misma ante cargas directas y descargas cercanas. Puesto que el nivel de aislamiento es bajo para distribución, un rayo que termine en el hilo de guarda tiene muy alta probabilidad de generar un flameo inverso en el aislamiento de la misma. Ante una descarga cercana, sin embargo, la presencia de conductores aterrizados puede reducir las sobretensiones inducidas. S. Rusck determina un factor de blindaje, dado por la siguiente ecuación:

Ra Zaa Zax hx ha fg 2 1 + ⋅ − = ...(8) Donde:

ha: Altura del hilo de guarda hx: Altura del conductor x

Zax: Impedancia de acoplamiento entre el hilo de guarda y el conductor x. Ra: Resistencia de aterrizamiento del hilo de guarda.

Esto permite calcular reducciones del 25 al 40% en las sobretensiones inducidas. Para observar como se refleja esta reducción en el número de flámeos, considere una línea de 13,8kV y con un BIL de 95kV. De acuerdo con la figura (3.5) se tendrían 23,4 salidas por cada 100 km por año. Si consideramos una reducción en las sobretensiones del 30%, utilizaríamos un BIL de 14,11. Esto significa una reducción en un 39% en el número de flámeos para la misma línea.

3.10 IMPEDANCIA TRANSITORIA DE CABLES DE BLINDAJE, CONDUCTORES, TORRES Y SISTEMAS DE TIERRA.

La impedancia transitoria de cables, ya sea de blindaje o conductores de fase a una altura sobre el nivel de tierra, se calcula con la relación siguiente:

C C t r h In

(36)

Donde:

hC = altura del conductor sobre el nivel de tierra (m)

rC = radio del conductor (m)

La impedancia transitoria de conexión a tierra al pie de la torre puede considerarse constante (resistencia al pie de torre) para efectos de simplificación de cálculos.

3.11 PROPAGACIÓN DE ONDAS EN CABLES DE BLINDAJE Y CONDUCTORES DE FASE.

Al iniciar una descarga atmosférica en un cable de blindaje o conductor de fase se inyectara la corriente del rayo en el conductor y se producirá una onda de voltaje proporcional al producto de la impedancia transitoria del conductor y la mitad de la corriente del rayo, como:

t r t Z t I t V 2 ) ( ) ( = Donde:

Vr = voltaje transitorio (V) Ir(t) = corriente de rayo (A)

ZZt = impedancia transitoria del conductor (Ω)

Estas ondas se propagan o viajaran, con una velocidad aproximada a la velocidad de la luz (300 m/μs), hacia ambos lados del conductor hasta encontrar un camino a tierra. La onda de corriente y de voltajes sufrirán cambios en magnitud y forma de onda.

3.12 ATENUACIÓN Y DISTORSIÓN DE ONDA POR EFECTO CORONA.

La atenuación y distorsión de las ondas al viajar por los conductores se debe principalmente a la pérdida de energía la cual depende de las características del conductor, principalmente de sus dimensiones y su ubicación. El efecto corona es una manera de pérdida de energía a través de la ionización alrededor del conductor. Este efecto consiste en la disipación de la energía en el aire, la cual forma una corona conductiva alrededor del conductor y está relacionado directamente con el voltaje y el radio del conductor. El voltaje de iniciación de corona está dado por: ) 2 ( C C C C r h In r E V = Donde:

rc = radio de corona h = altura del conductor

(37)

En la figura (3.9) se muestra la atenuación y distorsión debido a corona para diferentes tiempos de cola de la onda.

(38)
(39)

4.1 SISTEMA DE CONEXIÓN A TIERRA.

En el diseño de subestaciones eléctricas, se hace necesaria la existencia de varias conexiones a tierra (puesta a tierra). En condiciones normales de operación estas conexiones conducen corriente de magnitudes muy pequeñas, solamente debidas al desbalance que existe en el sistema eléctrico.

En condiciones de operación anormal donde la conexión a tierra adquiere importancia fundamental, ya sea por la ocurrencia de fallas a tierra, por transitorios durante maniobras en interruptores o por sobretensiones debidas a descargas atmosféricas; donde el sistema de tierras conduce corrientes de magnitudes importantes.

La circulación de corrientes de falla a través de las conexiones a tierra, produce simultáneamente elevaciones de potencial del equipo conectado a tierra y gradientes de potencial sobre la superficie de terreno. Estas situaciones representan un peligro real de electrocución al personal y esfuerzos adicionales sobre el aislamiento de los equipos. La eliminación de estos peligros se lograría, mediante la disminución de la resistencia de conexión a tierra hasta valores cercanos a cero.

Es evidente que el diseño de un sistema de conexión a tierra propicia la operación adecuada de un sistema eléctrico, también lo es que, los procedimientos de diseño existentes involucran la interacción de una serie de elementos complejos y aún probabilístico; por lo que es necesario en la actualidad, el uso de métodos de análisis asistidos por computadora con el fin de lograr métodos de diseño efectivos y económicos.

Es importante señalar que aún contando con los mejores herramientas computacionales y el conocimiento actualizado sobre la materia, el diseño de un sistema de conexión a tierra no resulta un procedimiento exacto, ya que se pueden existir discrepancias entre los valores calculados a los valores medidos de la red, debido principalmente a: Errores de medición, heterogeneidad en la resistividad del terreno, la interacción con otros elementos metálicos enterrados en la vecindad del electrodo de conexión a tierra, etc. Por lo que es necesario que el diseñador tenga conocimientos profundo de la teoría relacionada, a fin de conocer el efecto que sobre el sistema aporta cada una de sus componentes y aún complementarlo con la experiencia adquirida en el trabajo de campo.

También para el diseño de una subestación eléctrica, es necesario definir diversas conexiones a tierra (puesta a tierra) para conectar a la propia red de tierra los neutros, tanques y carcazas de los equipos, los cables de guarda, las estructuras metálicas y todas aquellas partes metálicas que deben estar a potencial de tierra, logrando las siguientes funciones principales:

a) Proveer un medio de muy baja impedancia que permita disipar las corrientes eléctricas a tierra, evitando exceder los límites de diseño de los equipos.

b) Proporcionar una trayectoria a tierra para el neutro de los sistemas o equipos eléctricos que así lo requieran, limitando la aparición de potencial en el neutro de un sistema en estrella aterrizado.

(40)

d) Facilitar la operación de los relevadores que eliminan las fallas a tierra del sistema. e) Disipar la corriente asociada a las descargas atmosféricas, limitando las sobre tensiones

generadas.

f) Limitar la elevación de potencial de la red a valores aceptables, cuando ocurre una falla a tierra.

g) Evitar que durante la circulación de estas corrientes de tierra, puedan producirse diferencias de potencial entre distintos puntos de la subestación, que puedan ser peligrosas para el personal.

h) Proporcionar mayor confiabilidad, continuidad y seguridad al sistema eléctrico.

Adicionalmente a las funciones descritas, una buena conexión a tierra, abate el costo del equipo utilizado, minimiza la radio interferencia y se reducen los niveles de aislamiento de los equipos (tensión de aguante al impulso) y la magnitud de la estabilidad transitoria.

La oposición que se presenta a la circulación de la corriente de falla a tierra se llama resistencia de tierra, por lo tanto, el objetivo de una conexión a tierra es facilitar la disipación de la corriente de falla.

La circulación de corrientes de falla a través de las conexiones a tierra, produce a su vez elevaciones de potencial del equipo conectado a tierra y gradientes de potencial sobre la superficie del terreno. Las circunstancias que pueden provocar una descarga eléctrica son las siguientes:

A) Una corriente de falla a tierra relativamente alta en relación con el dimensionamiento del sistema de tierra.

B) Gradientes de potencial altos en uno o varios puntos de la superficie de la tierra, debidos a la resistividad elevada del terreno, que provoca una inadecuada distribución de la corriente a tierra.

C) La presencia de una persona en un determinado lugar que provoque continuidad en dos puntos con alta diferencia de potencial.

D) Ausencia de una resistencia de contacto suficiente o de otras resistencias en serie que limiten, a un valor seguro, la corriente a través del cuerpo.

E) Tiempo suficiente de duración de la falla y del contacto del cuerpo (flujo de corriente a través de él), tal que cause daño considerando una intensidad de corriente dada.

F) En las discontinuidades de las envolventes de las subestaciones en SF6, se producen transitorios de alta frecuencia que se transfieren peligrosamente al exterior.

En los sistemas eléctricos, el método de aterrizamiento puede determinar la magnitud de las sobre tensiones tanto en estado estable como en estado transitorio. Los sistemas no aterrizados están sujetos a sobretensiones muy elevadas que reducen la vida de los equipos, principalmente en los transformadores y máquinas rotatorias.

(41)

Por lo anterior, se debe diseñar un sistema de tierra adecuado y seguro que ayude a cumplir las funciones descritas. Una resistencia baja del sistema de tierra, no implica en sí una garantía de seguridad. No existe una relación simple entre la resistencia del sistema de tierra en conjunto y el potencial máximo de choque que pueda sufrirse; la peligrosidad disminuye al desarrollar diseños de tierra adecuados, considerando que una subestación de baja resistencia a tierra puede ocasionalmente hacerse peligrosa y, por el contrario, subestaciones con alta resistencia pueden ser seguras. La corriente de falla a tierra total, provoca elevación en el potencial, y cuando se cuenta con cables con pantalla, neutros aterrizados, barras aisladas en gas SF6, alimentadores subterráneos, etc., se provee una trayectoria de baja impedancia en paralelo de retorno hacia la fuente, que abate la magnitud de las sobretensiones esperadas.

Con objeto de facilitar la compresión de los conceptos relacionados con el sistema de tierra en subestaciones eléctricas, a continuación se definen algunos términos esenciales relacionados con las secciones del presente capítulo.

4.2 A TIERRA.

Conexión conductora, intencionada o accidental, entre un circuito o equipo eléctrico y el terreno natural o algún cuerpo conductor que sirva como tal.

4.3 APARTARRAYO.

Elemento de protección de equipos y materiales eléctricos contra sobretensiones.

4.4 BARRA DE TIERRA.

Conductor común para interconectar los conductores de puesta a tierra que a su vez se conecta al sistema de tierra en uno o varios puntos. Este puede ser cable, una barra o solera generalmente de cobre.

4.5 CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA.

Conductor que se utiliza para conectar a tierra, en el punto requerido, las cubiertas metálicas de los equipos y otras partes metálicas que pudieran transportar corrientes indeseables a través de ellas (grounding conductor en inglés).

4.6 CONDUCTOR PUESTO A TIERRA.

Es el conductor de un circuito o sistema que intencionalmente se conecta a tierra, como es el caso del conductor neutro (grounded conductor en inglés).

4.7 CORRIENTE A TIERRA.

Figure

Fig. 1 Mapa de la republica mexicana (densidad de rayos a tierra).
Fig. 2 Rayo.
Fig. 2.1 Distribución de corrientes de rayo.
Fig. 3.4 Voltaje (kV) inducido a una cierta distancia para diferentes valores de corriente de rayo
+7

Referencias

Documento similar

Debido al riesgo de producir malformaciones congénitas graves, en la Unión Europea se han establecido una serie de requisitos para su prescripción y dispensación con un Plan

Como medida de precaución, puesto que talidomida se encuentra en el semen, todos los pacientes varones deben usar preservativos durante el tratamiento, durante la interrupción

No había pasado un día desde mi solemne entrada cuando, para que el recuerdo me sirviera de advertencia, alguien se encargó de decirme que sobre aquellas losas habían rodado

Abstract: This paper reviews the dialogue and controversies between the paratexts of a corpus of collections of short novels –and romances– publi- shed from 1624 to 1637:

Y tendiendo ellos la vista vieron cuanto en el mundo había y dieron las gracias al Criador diciendo: Repetidas gracias os damos porque nos habéis criado hombres, nos

Luis Miguel Utrera Navarrete ha presentado la relación de Bienes y Actividades siguientes para la legislatura de 2015-2019, según constan inscritos en el

Fuente de emisión secundaria que afecta a la estación: Combustión en sector residencial y comercial Distancia a la primera vía de tráfico: 3 metros (15 m de ancho)..

La campaña ha consistido en la revisión del etiquetado e instrucciones de uso de todos los ter- mómetros digitales comunicados, así como de la documentación técnica adicional de