INSTITUTO POLIT
ÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIER
ÍA
MEC
ÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
“
ANÁLISIS DEL FLAMEO INVERSO EN LÍNEAS DE
TRANSMISIÓN DE 400 kV UTILIZANDO EL ATP
”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL T
ÍTULO DE
INGENIERO ELECTRICISTA
PRESENTAN:
GUTIÉRREZ VALLE MARTÍN
MARTÍNEZ PÉREZ PEDRO
ASESOR: ING. GUILLERMO BASILIO RODR
Í
GUEZ
DEDICATORIA
La presente tesis se la dedico a mi familia que gracias a sus consejos y palabras de aliento crecí como persona. A mis padres y hermano por su apoyo, confianza y amor. Gracias por ayudarme a cumplir mis objetivos como persona y estudiante. A mi padre por brindarme los recursos necesarios y estar a mi lado apoyándome y aconsejándome siempre sin importar nada más que mi bienestar. A mi madre por hacer de mi una mejor persona a través de sus consejos, enseñanzas y amor incondicionales que valoro más de lo que púedo demostrar. A mi hermano por estar siempre presente, brindándome aliento cuando veía decaer mi ánimo.
AGRADECIMIENTOS
Gacias a Dios
Por permitirme llegar hasta este momento y lograr otra meta más en mi carrera y entrar en otra etapa de mi vida.
Gracias a mis padres María de Jesús y Jose de Jesús
Por su cariño, comprensión y apoyo sin condiciones ni medida. Gracias por guiarme sobre el camino de la educación.
Gracias a mi hermano Juan Carlos
Por tus comentarios, sugerencias y opiniones, que aunque no estaba de acuerdo en todos, de una o de otra manera me ayudaron a mejorar como persona. Además de ser un buen amigo eres la mejor compañia para compartir el mismo techo.
Gracias a mi abuelita Aurora
Por encomendarme siempre con Dios para que saliera adelante y darme palabras de aliento durante toda mi formación profesional.
Gracias a mis asesores Guillermo Basilio Rodríguez y Juan Abugaber Francis
Por formar parte de mi grupo de trabajo. Sus consejos, paciencia y opiniones sirvieron para que me sienta satisfecho con el resultado de este proyecto de investigación.
Gracias a cada uno de los profesores de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME)
Que participaron en mi desarrollo profesional durante mi carrera, sin su ayuda y conocimientos este trabajo nunca hubiera sido posible.
Gracias a mi amigo Emmanuel Cruz Garrido.
Que estuvo conmigo tanto en las buenas como en las malas brindandome su apoyo cuando más lo necesite.
Pedro
Martínez Pérez
A Dios,
...por ser quien ha estado a mi lado en todo momento dándome las
fuerzas necesarias para continuar luchando día tras día y seguir adelante
rompiendo todas las barreras que se me presenten.
A mis padres
por su ejemplo,
... a ustedes les debo todo lo que hoy soy.
A mis hermanos,
...por su alegría y su incondicional apoyo.
A mis profesores,
...por su ejemplo de profesionalidad que nunca he olvidado.
A mis amigos,
... por brindarme su amistad incondicional y por su apoyo en
las buenas y en las malas.
ESIME-IPN INGENIERÍA ELÉCTRICA
CONTENIDO
NOMENCLATURA OBJETIVO INTRODUCCIÓN JUSTIFICACIÓNCAPITULO I: GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS ELÉCTRICOS
DE POTENCIA
1.1 Antecedentes históricos
1.2 Torres de transmisión
1.3 Líneas de transmisión
1.4 Sistemas de protección
1.5 Sobretensiones
1.6 Flameo inverso
CAPITULO II: SOBRETENSIONES
2.1 Tipos de sobretensiones
2.1.1 Sobretensiones del tipo externo
2.1.2 Sobretensiones del tipo internas
2.2 Descargas atmosféricas
2.2.1 La formación del rayo
2.2.2 Teorías de las descargas atmosféricas
2.2.2.1 Teoría de Elster y Greitel (influencia eléctrica)
2.2.2.2 Teoría de los Cristales de hielo
2.2.2.3 Teoría de Willson
2.2.2.4 Teoría de Simpson
CAPITULO III: ALTERNATIVAS DE CORRECCION Y ANALISIS DEL
FLAMEO INVERSO
3.1 Alternativas para la corrección del fenómeno de flameo inverso.
3.1.1 Hilo de guarda
3.1.2 Puesta a tierra
3.1.2.1 Funcionalidad de los sistemas de tierras
3.1.2.2 Componentes del sistema de tierras
ESIME-IPN INGENIERÍA ELÉCTRICA 3.1.2.3 Principales características para los sistemas de puesta a tierra
3.1.3 Mejoramiento de la resistividad del terreno
3.2 Metodología para el cálculo de la descarga retroactiva (Back Flashover)
3.2.1 El cálculo de la resistencia al pie de torre
3.2.2 Conexión por medio de varillas
3.2.3 Conexión por medio de contraantenas
CAPITULO IV: SIMULACIÓN Y RESULTADOS
4.1 Características del modelo para analizar el Flameo inverso
4.2 Datos y graficas de las correspondientes simulaciones
4.2.1 Datos de la primera simulación
4.2.2 Datos de la segunda simulación
4.2.3 Datos de la tercera simulación
4.2.4 Datos de la cuarta simulación
4.2.5 Datos de la quinta simulación
4.2.6 Datos de la sexta simulación
4.3 Gráficas que muestran el comportamiento de la corriente tanto en el
sistema de tierra como en la torre
4.3.1 Corriente disipada por el SCT en cada uno de los diferentescasos.
4.3.1.1 Interpretacion de resultados
4.3.2 Corriente que regresa por la torre en cada uno de los distinto casos.
4.3.2.1 Interpretación de Resulatados
4.3.3 Corrientes en SCT & en la Torre en una sola gráfica
4.3.3.1 Interpretación de resultados
4.3.4 Corriente de rayo que se inyecta en el circuito de estudio
4.3.4.1 Interpretacion de Resultados
NO
ENCLATU R A
ATP:
Alternative Transient Program
E
TP:
Electro Magnetic Transient Program
ACS R
: Conductor de Aluminio Reforzado de Acero (Aluminium Conductor Steel
Reinforced)
IEC
: Comisi
ón Electrotécnica Internacional
SIMBO
OG
ÍA
E:
gradiente el
éctrico
k:
Kilo
A:
Ampere
V :
Volt
W:
watt
m:metro
cm:
cent
ímetro
:Megas
s:
segundo
mi n :
minuto
g:gramo
c a :
Corriente alterna
H z:
Hertz
C:
Coulomb
C:
Factor de acoplamiento
H:
Henry
L:
Inductancia
oC:
grados cent
ígrados
o
:
Grados
m:
mili
µ:
micro
Ù
:ohm
OBJETIO
Analizar el comportamiento del comportamiento del Sistema de Conexi
ón a
Tierra ante el
fen
ómeno
de flameo inverso (descarga retroactiva) en l
íneas de transmisión de 400 kV con
el apoyo del ATP-EMTP (Electromagnetic Transients Program).
OETIO TIC E
Analizar el fen
ómeno de la descarga retroactiva en Líneas de Transmisión de 400
kV.
Realizar diferentes simulaciones a distintos valores de corriente de rayo y
resistencia del Sistema de Conexi
ó
n a Tierras para observar el comportamiento de
la corriente de retorno y verificar si se da el flameo inverso en la cadena de
aisladores empleando el ATP-EMTP.
Comprobar que el valor de resistencia de Sistema de conexi
ón a tierra
debe ser el
menor posible para evitar que exista el fen
ómeno de Flameo Inverso en la cadena de
E EN
Lo que se hizo en este trabajo, fue recabar la informaci
ón necesaria
para
poder entender
,lo
que es el fen
ómeno de la descarga retroacti
va
,tam
bi
én llamada Flameo Inverso
;la c
ual se
da en el momento en el que una descarga atmosf
érica
(ra
yo
)cae directame
nte en la torre de
transmisi
ón
,lo c
ual genera
una corriente
que se va
hacia el sistema de
puesta a tierra
,el
cual, si es bien dise
ñado
,de
be de ser ca
pa
de dispersar la mayor parte de esta corriente. En
caso contrario dicha corriente tiende a regresar por la torre, hasta llegar a la cadena de
aisladores, provocando que se llegue al flameo de los mismos y en el peor de los casos
puede llegar hasta los conductores, de fase, provocando una salida del sistema y da
ños a las
instalaciones.
Al entender lo que es la descarga retroactiva, sus efectos y como se puede evitar por medio
del sistema de puesta a tierra, se trat
ó de validar
que
los valores de resistencia del sistema
de tierra, utilizadas por las compa
ñías suministradoras en nuestro país, sean de una
magnitud tal que nos garantice un nivel de protecci
ón alto en contra de e
ste fen
ómeno,
entendiendo que por ser la descarga atmosf
érica
un fen
ómeno
que no tiene una magnitud
constante en su corriente, no se puede tener una protecci
ón de
l 100% para nuestro sistema.
Por medio del programa de simulaci
ón eléctrica ATP
(
Alternative Transients Program), se
simularon los efectos de la descarga atmosf
érica con un circuito equivalente de la to
rre y el
sistema de tierra, en este caso se utilizo una corriente de 100 kA la cual tiene una
probabilidad menor al 5% para que suceda, y se hicieron pruebas para magnitudes de
resistencia de puesta a tierra de 0
Ù
, 10
Ù
,
…
, 50
Ω
. Mediante las gr
áficas obtenidas y las
magnitudes calculadas para la corriente m
ínima de la d
escarga retroactiva se verific
ó si era,
o no v
álido cada uno de los valores de resistencia
propuestos en la bater
ía de pruebas
.
Se comprob
ó de manera satisfactoria que el valor de resistencia de puesta a tierra utilizado
por la compa
ñía suministradora en México (10
Ω
ó
menor) protege de manera
satisfactoriamente, para este valor de resistencia, y dado la baja probabilidad que se tiene
para que se de una descarga con este nivel de corriente o mayor, se puede decir que nuestro
INTODCCIÓN
Como se sabe, las l
íneas de transmisión en México son aéreas, esto quiere decir que son
vulnerables a los fen
ómenos atmosféricos que ocurran a lo largo de su trayectoria, uno de
estos fen
ómenos, es el
llamado Descarga Retroactiva, el cual se da cuando una descarga
atmosf
érica cae directamente sobre una torre de transmisión, lo que provoca que a lo largo
de la torre se tenga una corriente muy elevada la cual siempre deber
á de llegar al sistema de
tierra de la torre.
Si el sistema de tierra est
á diseñado d
e una manera correcta,
éste debe de ser capaz de
soportar la corriente generada por la descarga atmosf
érica, en caso contrario, el sistema de
tierra no ser
á capaz de diseminar ésta corriente, lo cual hará que dicha corriente retorne por
el camino que lleg
ó, es decir, la torre.
Este retorno de corriente puede llegar a ser peligroso para el sistema si tenemos en cuenta
que los elementos de protecci
ón ya recibieron la descarga directamente y no fueron capace
s
de protegerlo al 100%, por lo que la corriente de retorno tendr
á más posibilidades de
da
ñarlo, además, si se toma en cuenta que la descarga retroactiva es de una magnitud mayor
a la corriente de rayo original, el peligro de falla se hace mucho mayor.
El
único valor del que se puede tener control en la torre de transmisión, es el de la
resistencia de puesta a tierra, ya que los dem
ás parámetros son constantes ya que son
propias de la misma torre. De ah
í la importancia de que este sistema de protección sea
bien
dise
ñado y que su valor sea el adecuado para lograr un nivel de protección óptimo.
Debido a la significancia del valor del sistema de tierra se tom
ó este tema para su estudio,
como se puede imaginar los
únicos con la autoridad para modificar este valo
r son las
compa
ñías suministradoras en México, de allí que solamente se verificará que los valores
recomendados por
é
stas compa
ñías son válidos y suficientes para tener un alto nivel de
protecci
ón.
En este trabajo se incluyeron los conceptos b
ásicos
necesarios para poder entender lo que es
el fen
ómeno del flameo inverso y su forma de tratarlo; a continuación se
expondr
á
el
desarrollo del trabajo en los cap
ítulos siguientes:
CAP
ÍTULO I
CAP
T
OI IAqu
í se
explica lo que es una sobretensi
ón, y los tipos de sobretensiones existentes, pero se
le da una mayor importancia a la sobretensi
ón producida por el efecto de la descarga
atmosf
érica, citando y explicando las teorías más a
ceptadas para explicar este fen
óme
no.
CAPITULO III
Aqu
í se dan las bases para entender lo que es el Flaneo Inverso y su metodología de
estudio, es decir c
ómo es que se puede estudiar por medio de una simulación, y se dan
algunos m
étodos reales que se hacen para tratar de
corregir
o minim
izar
éste fenómeno,
tales como el hilo de guarda y la resistencia de puesta a tierra.
Dado que es la resistencia de tierra, nuestro caso de estudio, se dan todas las caracter
ísticas
necesarias que se deben de conocer acerca de
él,
as
í
como algunas maneras que existen de
mejorarla, as
í
como la forma en que se logra esta resistencia.
CAP
ÍTULO IV
En este punto se encontrar
án las simulaciones que se hicieron, así como las gráficas del
comportamiento de la corriente tanto en el sistema de puesta a tierra, como en la misma
torre al retornar, as
í como los datos que se utilizaron para el cálculo de la
corriente m
ínima
para que se de la Descarga Retroactiva.
A continuaci
ón
se escribe una interpretaci
ón para cada uno de los diferentes tipos de
gr
áficas que se obtuvieron.
ESIME-IPN INGENIERA E É CTCA
C
T
O I
GANERALIDADES DE
LOS SISTEMAS
EL
T
CT O I
IPN-ESIME INGENIERA !" #T$%#A 9
1.1& t e 'e de&te * +-*tór- '/*
La primera línea de transmisión en nuestro país fue la de NecaxaMéxico, que entró en servicio en diciembre de 1905, con una capacidad de 60 kV; que aumentó a 85 kV cinco años después.
Paralelo a este proyecto se desarrolló la línea MéxicoEl oro, con la misma capacidad.
En un inicio las estructuras eran de fabricación extranjera, a lo largo del siglo XX, cada empresa
proponía, diseños y analizaba distintas estructuras conforme a sus conveniencias. Uno de los
principales proyectos desarrollados en aquél entonces fue la construcción del anillo de 230 kV,
por la empresa Acero Ecatepec, que se concluyó en 1969.
Este proyecto satisfacía y respaldaba las necesidades de energía eléctrica, rodeando la periferia
de la Ciudad de México. La falta de normalización de las torres originó una gran variedad de
torres distintas en las líneas de transmisión existentes. Algunas de las empresas que participaron
en la fabricación de torres fueron: Macomber, Bethlehm, Made, Siemens Schuckert y Aceros
Ecatepec.
Fue hasta principios de la década de los setentas, que Luz y Fuerza del Centro, realizó los
primeros esfuerzos en desarrollar una infraestructura propia de fabricación, capaz de asumir las
necesidades de las estructuras de los nuevos proyectos. El primero de los pedidos de fabricación
se asignó al Taller de Estructuras Tacuba. En la actualidad, esta producción se concentra en la
Fábrica de Estructuras Xochinahuac. Uno de sus primeros y principales trabajos fue la
construcción del anillo de 400 kV, que inició su construcción en 1974 y concluyó exitosamente
en 1985. Esta línea circunda la periferia del área metropolitana de la ciudad de México y funge
como un nuevo respaldo para las instalaciones existentes.
Debido al éxito obtenido por la fabricación de este tipo de estructuras dentro de la empresa, fue
necesario crear un compendio de torres. Este esfuerzo se concluyó en 1977, que incluía las torres
existentes hasta entonces y las proyectadas por el Departamento de Ingeniería Civil.
En la actualidad, debido a requerimientos específicos de los nuevos proyectos, ha sido necesario
realizar modificaciones y/o nuevas soluciones a las estructuras originales. Estas actualizaciones,
de uso frecuente, no se tenían publicadas, ni eran de conocimiento general entre las áreas
C023T4 5O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 10
En la figura 1.1 se aprecia un sistema eléctrico típico para la generación, transmisión,
distribución y utilización de energía eléctrica, del cual nos enfocaremos al estudio del fenómeno
de flameo inverso en la parte de transmisión en 400 kV.
Figura 6.6 Sistema eléctrico típico para la generación, transmisión, distribución y utilización de energía eléctrica
789 T<= =>? @> D=FG ?KN ?NQG
Una torre de transmisión es la estructura por donde pasan las líneas de transmisión, están
diseñadas para soportar las condiciones climáticas de la región donde se van a instalar. Las torres
están seccionadas para distribuir todo el peso y la tensión ejercidas por los mismos conductores,
evitando posibles colapsos. Generalmente son construidas con acero estructural, además de tener
un acabado galvanizado por inmersión en caliente tipo normal según las especificaciones dadas
por norma (NMX-J-151).
Existen diferentes modelos de torres de transmisión debido a la cantidad de líneas que pueden
[image:14.612.130.499.152.398.2]CXYZT[ \O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 11
5 2 ,5 3 ( 5 3 -T 6 0 Y R ) 4 7 ,5 3 (4 8 -T 6 0 Y R ) 4 2 ,6 2 (4 3 -T 6 0 Y R ) 8,1 5,15 1.50 8,1 5,15 8,36
esp. a esp. Acotaciones en metros (m)
60°
5,15
5,15
8,1
8,1
La figura 1.2 muestra una torre de transmisión para líneas de 400 kV de dos circuitos y dos
conductores, con las siguientes variantes:
Torre de suspensión deflexión 2º
Torre de tensión deflexión en ángulos de 10º, 15º y 30º.
[image:15.612.209.385.265.678.2] Torre de tensión y remate deflexión de 60º.
C]^_T` fO I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 12
La tabla 1.1 muestra las diferentes normas y especificaciones que se utilizan para valuar las
[image:16.612.141.485.378.702.2]torres de transmisión a 400 kV.
Tabla 1.1 Normas y especificaciones de para valuar las torres de transmisión de 400 kV.
NOjl]w x Ew^ECI{IC]CIONEw
Nl| } ~} Acero estructural de alta resistencia, baja aleación al niobio-vanadio.
Nl| } ~} Requisitos Generales para Planchas, Perfiles, Tablaestacas y Barras, de Acero Laminado, para uso Estructural.
Nl| } ~} Acero estructural.
Nl|}} Tornillos de alta resistencia para uniones de acero estructural.
Nl|}} Arandelas helicoidales de presión tipo regular (serie en pulgadas).
Nl|}} Procedimientos para soldar acero estructural.
Nl|}} Recubrimiento de cinc por el proceso de inmersión en caliente para sujetadores y herrajes de hierro y acero.
Nl|} } Productos de hierro y acero galvanizados por inmersión en caliente.
La tabla 1.2 muestra los diferentes modelos de torres de transmisión:
Tabla 1.2 Modelos y características torres de transmisión.
TIO ATRA (m) ESO (g) CARACTERISTICAS w w º w w º w w º
T T º T T º T T º
T T º T T º
T T º T T º T T º
T T º
C¥¦§T¨ ©O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 13
HILO DE GUARDA
CUERPO DE LA TORRE
TRABE
AISLADORES
CONDUCTORES
AISLADORES CONDUCTORES
CUERPO DE LA TORRE
CONDUCTORES AISLADORES
b)
c) a)
HILO DE GUARDA
A continuación se muestran algunos tipos de torres que se usan generalmente en líneas de 400
[image:17.612.118.518.108.552.2]kV.
Figura 1.3 Torres que se usan generalmente en lineas de 400 kV. a) Torre autosoportada de celosia, 1 circuito,
disposición horizontal. b) Torre autosoportada de celosia, 2 circuitos, disposición vertical. c) Torre tipo tubular, 2
circuitos, disposición vertical, con aislamientos poliméricos.
ª«¬ ©í® ¯ ± ²® ³´¯±¶·±·¸
Un sistema de transmisión de energía eléctrica es el medio de conexión entre los consumidores y
los centros de generación, el cual permite el intercambio de energía entre ellos a todo lo largo de
C¹»¼T½ ¾O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 14
componentes de un sistema o red de transmisión. Una red se caracteriza por poseer diferentes
niveles de tensión de operación. Esta diversidad técnica necesaria permite que el intercambio se
dé en condiciones que minimicen las pérdidas de energía, para de esta forma lograr el uso
eficiente de la energía por parte de todos los integrantes del sistema eléctrico (consumidores y
generadores).
La línea de transmisión es el elemento más común de los que conforman las redes eléctricas. En
conjunto, estos elementos constituyen las arterias a través de las cuales fluye la energía eléctrica
desde centros de generación hasta centros de consumo. La transmisión de dicha energía se
realiza por medio de corriente alterna (c.a.), y de acuerdo al diseño de la línea puede ser de
transmisión aérea o subterránea. Dependiendo del nivel de tensión al cual se realiza la
transmisión de energía eléctrica, se tiene clasificadas a las redes en tres categorías: transmisión,
subtransmisión y distribución.
En México y otros países, los niveles de tensión desde 115 kV o mayores son considerados como
de transmisión. Cuando se opera con tensiones de 66 kV hasta 115 kV se dice que la red es de
subtransmisión. Por último, niveles de tensión menores a 34,5 kV están relacionados con redes
de distribución. Para el caso del territorio nacional los niveles de tensión normalizados se pueden
verificar en la NMX-J-098-ANCE.
En el caso de México, la transmisión de energía eléctrica es aérea, es evidente que el aislante
común entre conductores es el aire circundante, además de que los dispositivos de generación y
de transporte se diseñan para que operen con corriente alterna trifásica.
¿ÀÁÂÃÄÅ ÆÇÈ ÊÆ Ë ÌÎÅÆÏÏ ÃÐÑ
Un sistema de protección es aquel conjunto de dispositivos diseñados para detectar fallas u otras
situaciones anormales en una red eléctrica, permitir la eliminación de estas fallas, poner fin a
situaciones anormales e iniciar señales o indicaciones, tiene disposición de uno o más equipos de
CÒÔÕTÖ ×O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 15
RELÉ
TC INTERRUPTOR
BOBINA DE DISPARO
CARGA
BANCO DE BATERIAS
Elementos de un sistema de Protección.
Ø Relés
Ø Fusibles
Ø Interruptores termo magnéticos
Ø Interruptores o disyuntores
Ø Reconectadores
Ø Seccionadores
Ø Transductores
Ø Sistemas de comunicación
Ø Fuente auxiliar
Un sistema de protección (figura 1.4) es un equipo que incorpora uno o más elementos de
protección, tales como transformadores de instrumentos, cableados, circuitos de disparo,
suministros auxiliares y, de ser factible, sistemas de comunicación, diseñados para desempeñar
una o más funciones de protección específica formando parte de un sistema de protección.
Incluye también elementos provistos para controlar la tensión del sistema de energía o las
desviaciones de frecuencia como son: conexión automática de una bobina de inductancia
[image:19.612.90.514.418.625.2](reactor), pérdida de carga, etc.
Figura 1.4 Estructura básica de un sistema de protección
El término ÙprotecciónÚ es un término genérico para los dispositivos de protección o los sistemas
CÛÜÝTÞ ßO I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 16
conjunto o la protección de elementos de planta individuales en un sistema eléctrico; por
ejemplo, protección del transformador, protección de la línea, protección del generador.
El funcionamiento correcto de una protección no es más que emisión de señales de disparo y
otros comandos de una protección de forma prevista en respuesta a una falla en la red eléctrica o
a otra anomalía de la propia red.
Una situación anormal en una red de energía se presenta cuando las condiciones de
funcionamiento eléctrico en uno de sus elementos, como por ejemplo, tensión, corriente,
potencia, frecuencia, estabilidad, se encuentran fuera de las condiciones normales o es resultado
de una falla de un circuito de la red primaria o de un elemento de la planta del sistema primario,
un equipo o un aparato y que normalmente requiere la desconexión inmediata del circuito,
planta, equipo o aparato defectuoso de la red de energía mediante la desconexión de los
interruptores correctos.
Para una buena protección debemos de tomar en consideración varios aspectos tales como la
distancia de funcionamiento y selectividad los cuales dependen de la medición local de
cantidades eléctricas con las cuales se evalúa la distancia equivalente a la falla al compararla con
definiciones de zona.
Las zonas con definiciones de mayor alcance generalmente son retardadas con el fin de asegurar
la selectividad; también está la protección de distancia completa que generalmente tiene
elementos de medición diferentes para cada tipo de falla fase-fase o para cada tipo de falla
fase-tierra o para cada medición de zona.
Para todo cálculo de protecciones se debe tomar en cuenta aspectos como es el subalcance.
Condición por la cual la configuración de la zona más corta genera un alcance menor que el de la
sección protegida. Un sub alcance erróneo donde su alcance, debido a errores de medición, tiene
un alcance menor que su definición de zona. El sobre alcance es la condición de una protección,
generalmente protección de distancia, donde la configuración de zona más corta, tiene un alcance
CàáâTã äO I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 17
åæçèêë ìîï î ðòôêðî ò
Se entiende por sobretensión a cualquier valor de tensión pico mayor a la tensión nominal del
sistema en operación, que pone en riesgo el equipo instalado en el sistema eléctrico trayendo
como consecuencia una mala calidad del servicio en las instalaciones eléctricas. Existen muchas
causas por las que se pueden originar sobretensiones en una red de potencia; por esta razón su
estudio suele realizarse atendiendo al origen, al tipo de proceso transitorio y al tiempo de
duración. La clasificación más aceptada distingue tres tipos de sobretensiones:
a) Sobretensiones temporales
Dentro de este grupo se encuentran las sobretensiones de larga duración (varios milisegundos),
poco amortiguadas y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación. Ejemplos de
sobretensiones temporales son las debidas a un cortocircuito entre una fase y tierra, o a un
problema de ferro resonancia.
b) Sobretensiones de maniobra
Una sobretensión de este tipo es fuertemente amortiguada, de corta duración y puede presentar
un rango de frecuencias que varía entre los 2 kHz y los 10 kHz. Su origen puede estar en una
maniobra de conexión o de desconexión, sin embargo puede haber otras causas que den lugar a
una sobretensión de este tipo; por ejemplo, un cortocircuito puede provocar transitoriamente una
sobretensión que se clasificaría dentro de este grupo.
c) Sobretensiones de origen atmosférico (por rayo)
Son originadas por una descarga atmosférica, tienen una duración muy corta y una amplitud que
puede ser varias veces la tensión de pico nominal. No existe una frontera muy clara entre un tipo
y otro de sobretensión; por ejemplo, una sobretensión originada por un cortocircuito es de tipo
temporal, pero transitoriamente puede ser calificada como sobretensión de maniobra. Por otra
parte, la severidad que puede alcanzar cualquier sobretensión depende del tipo y, sobre todo, del
nivel de tensión de la red; en redes de tensión nominal inferior a 400 kV, las sobretensiones
atmosféricas son más peligrosas que las originadas por otra causa, mientras que por encima de
Cõö÷Tø ùO I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 18
La importancia de las sobretensiones atmosféricas crece conforme disminuye la tensión nominal
de los componentes afectados por el rayo. El valor de las sobretensiones que se pueden producir
en una red de distribución originada por un rayo es tan elevado frente al valor de la tensión
nominal de la red que tanto el nivel de aislamiento de los componentes como la selección y
coordinación de protecciones se realiza teniendo en cuenta el efecto de las sobretensiones
atmosféricas. En general, el nivel de las sobretensiones de origen interno es inferior o muy
inferior al nivel de aislamiento de los componentes de una red de distribución, siendo el número
de averías originadas por una sobretensión de este tipo mucho más reducido que el originado por
sobretensiones atmosféricas directas o inducidas por el rayo.
Un rayo puede originar una sobretensión que termine provocando un fallo en la línea aérea
afectada o que se propague por la línea y pueda provocar una avería en algún otro equipo. La
aparición de una sobretensión de origen atmosférico en una línea aérea puede ser debida a uno de
los mecanismos siguientes:
La descarga cae sobre un cable de tierra o un poste (figura 1.5), en ambos casos una parte de la corriente del rayo termina propagándose a tierra donde originará sucesivas
reflexiones que pueden dar lugar a una tensión superior a la rigidez dieléctrica del
[image:22.612.153.478.434.617.2]aislamiento entre el poste y alguno de los conductores de fase.
Figura 1.5 Descarga atmosférica sobre el hilo de guarda.
La descarga cae sobre un conductor de fase (figura 1.6) debido a un apantallamiento insuficiente del cable de tierra o a la inexistencia de éste; se produce una falta si la onda
CúûüTý þO I
[image:23.612.102.518.319.533.2]IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 19
Figura 1.6 Descarga atmosférica sobre el conductor de fase.
La descarga cae en las cercanías de una línea aérea (figura 1.7), pudiendo inducir en ésta
tensiones superiores al nivel de aislamiento.
Figura1. 7 Descarga atmosférica que cae en las cercanías de una torre de transmisión.
El estudio del comportamiento de las líneas de distribución frente al rayo ha sido objeto de gran
atención durante los últimos años y existe una amplia literatura centrada exclusivamente en este
campo. Sin embargo, todavía existen muchos puntos sobre los cuales no existe un conocimiento
suficientemente preciso; probablemente, los más importantes sean la propia naturaleza del rayo y
CÿPÍTU LO I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 20
1.6 Flame o in verso
Las descargas atmosféricas en líneas de distribución son mucho más críticas que en líneas de
transmisión, debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor. Los daños causados por
descargas atmosféricas en líneas de distribución, se deben a descargas directas sobre los
conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda. También son debidos a descargas
indirectas que no impactan directamente la línea pero alteran el campo electromagnético a su
alrededor, induciendo sobretensiones en la misma.
Los principales daños causados por descargas atmosféricas en líneas de distribución, afectan
equipos como los que se mencionan a continuación: Transformadores de distribución,
cortacircuitos y fusibles, interruptores de aceite, conductores de línea y aisladores.
Adicionalmente, pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre
devanados de los transformadores, afectando equipos domésticos.
El punto de corte de ambas características es en realidad de difícil determinación, dado que
depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminación del aislamiento.
Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensión tiende a
duplicarse por el efecto de línea abierta, por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de
sufrir daños. Un fenómeno similar, aunque no tan grave, ocurre en los postes con derivaciones de
redes primarias.
En pocas palabras este fenómeno se presenta la descarga atmosférica que cae en el cable de
guarda o directamente en la torre, al llegar a la base de la torre (suelo) y encontrar un alta
resistencia (resistencia de puesta a tierra de la estructura) provoca que no encuentre un medio
propicio para el esparcimiento de la corriente del rayo de manera eficiente, y hace que la torre
alcance un alto potencial eléctrico, que aumenta súbitamente la tensión entre el brazo de la torre
y el conductor de fase, hasta el punto que se supera el aislamiento proporcionado por el aire
exterior a la cadena de aisladores y se presenta un flameo desde el brazo de la torre (que se
encuentra a un alto potencial) y el conductor de base.
Lo anterior es lo que se conoce como flameo inverso (back flashover) y toma ese nombre porque se genera desde el brazo de la torre hacia el conductor de fase, como puede apreciarse en
CA T O I
IPN-ESIME INGENIERÍA ELÉCTRICA 21
GS t >t 2 1
t2 t1
t v
(t
)
2
1
t
(t
)
G VA
VC C
GS
GR RE
Figura 1.8 Flameo inverso en una torre de transmisión, con su circuito eléctrico equivalente
Debido a la influencia de este fenómeno es que se hace necesario estudiarlo a fondo y proteger al
sistema eléctrico de potencia para que no opere en condiciones de falla y el sistema opere en
ESIME-IPN INGENIERÍA ELÉCTRICA
C
IT
O II
CAPÍTULO II
ESIME-IPN INGENIERÍA ELÉ CTRICA 23
Se denomina sobretensión a todo aumento de tensión que sobrepasa la tensión nominal
de la red y que es capaz de poner en peligro al equipo instalado y al buen servicio de
energía en una instalación eléctrica.
Las sobretensiones pueden producir fallas internas en los equipos de protección, además
de destruir o averiar seriamente al material, también pueden ser la causa de fallas más
severas. Muchas veces, los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su
magnitud, sino también a la forma de onda. Si se realiza correctamente la instalación y
las líneas de conexión están en buenas condiciones es poco probable que se produzcan
sobretensiones. Si, a pesar de todas las precauciones, estas se producen, se procurara
que descarguen a tierra lo más rápido que sea posible, mediante los dispositivos de
protección instalados para descargar la sobretensión incidente en la instalación.
Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de alta tensión,
generalmente, en las primeras tienen menos importancia que en las últimas, dado que
en las instalaciones de alta tensión las propias condiciones de funcionamiento y de
aislamiento favorecen la aparición de sobretensiones, por el medio ambiente y los
factores de contaminación en las líneas de transmisión.
2 Tp d b t
Las sobretensiones pueden clasificarse según su origen en dos grandes grupos, del tipo
interno y del tipo externo.
.. Sobretensiones del tipo externo
El fenómeno de sobretensión más frecuente en las instalaciones eléctricas es originado
por la descarga atmosférica (rayo), que son perturbaciones con una duración aún más
pequeña que las de maniobra, siendo el tiempo de crecimiento normalizado (figura 2.1)
de 1,2s mientras que el lapso hasta que se reduce al 50% del valor máximo dura 50s
(onda de 1,2s /50s), es importante el conocimiento de los efectos que causa dicho
CAPÍTUL II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL TA 24
50 us Uc
0.9 Uc
0.5 Uc 0.3 Uc
T U
[image:28.612.187.472.53.206.2]T1
Figura 2.1 Forma de onda normalizada por descarga atmosférica (onda de 1,2s /50s).
Las sobretensiones del tipo externo pueden ser de tres tipos: por carga estática, descarga indirecta y descarga directa, estas se describen a continuación.
a) Sobretensión del tipo externo por carga estática.
Este tipo de sobretensión actúa cuando una formación nubosa existe sobre la línea de transmisión, de tal manera que va separando las cargas positivas y negativas en los
conductores por inducción electroestática.
b) Sobretensión externa del tipo de descarga indirecta.
Este tipo de sobretensión se presenta en la instalación eléctrica cuando ocurre una
descarga atmosférica en puntos cercanos a ésta. Debido a las características de alta
potencia del rayo (200 kA, 200 kV), se induce una onda electromagnética. Este tipo de
sobretensión es el más frecuente y por el valor de sus parámetros llega a ser grave.
c) Sobretensión externa del tipo de descarga directa.
Si el rayo cae sobre un conductor de fase por una falta de distanciamiento de los hilos
de guarda de la línea o bien porque estos hilos no existen, se originan dos ondas de
corriente que parten en direcciones opuestas de valor igual a la mitad de la intensidad
del rayo y a dos ondas de tensión cuyo valor depende de la impedancia involucrada. Si
dicho valor supera a la tensión de ruptura del aislamiento conductor de fase-apoyo de la
línea, se producirá una falla en los dos apoyos más próximos al punto de caída del rayo,
provocando dos ondas cortadas que viajarán a lo largo de la línea hasta las
subestaciones terminales. Si esta tensión no es superior a la de ruptura, no se producirá
CAPÍTUL II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL TA 25
(5%)
5%
(15%) (60%) (15%) (5%)
10% 35% 35% 10% 5% 0%
A B
que llegan a una subestación estn limitadas or el niel de aislamiento de la línea de la que proceden.
En la figura 2.2 se observa la incidencia de la descarga atmosférica en la mitad del
conductor de guarda y otra descarga directa sobre la torre, con sus respectivos
porcentajes de drenado a tierra de la corriente producida en el conductor. Si el rayo cae
sobre un apoyo, la corriente que circula por la estructura metálica de apoyo y a través de
su toma de tierra dará origen a la aparición de una tensión importante entre la estructura
y los conductores de fase. Esta tensión depende de la intensidad del rayo y de la
impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda
de frente escarpado correspondiente. Si esta tensión supera el valor de la tensión de
ruptura de aislamiento conductor-apoyo, se produce una falla de aislamiento
correspondiente, denominado ruptura-inversa.
Figura 2.2 El caso corresponde a la incidencia a mitad del conductor, mientras que B en forma directa a la torre (valores entre paréntesis). Este ultimo la torre deriva a tierra 60 % de la corriente.
.. Sobretensiones del tipo internas
Son las sobretensiones que se presentan en instalaciones por operaciones, fallas u otros
motivos propios de la red, existen dos tipos de sobretensiones: dinámicas y transitorias,
las cuales se describen a continuación.
a) Sobretensiones internas del tipo dinámico.
Son sobretensiones que tienen una duración de segundos y están ligeramente
amortiguadas. En este tipo de sobretensión, los valores de tensión son elevados en
CAPÍTUL II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL T!" A 26
2500 us Uc
0.9 Uc
0.5 Uc
0.3 Uc
T U
T1
b) Sobretensiones internas del tipo transitorio.
Son sobretensiones que tienen una corta duración y est#n fuertemente amortiguadas$ originadas principalmente por la apertura o cierre de interruptores (switcheo) con
impulsos de maniobra normalizados 250s /2500 s. En la figura 2.3 se muestra la
forma de onda normalizada por la IEC.
Figura 2.3 Forma de onda normalizada por maniobra %onda de 250s /2500 s).
&' & D)*c+-g +* +0 34*5é-7c+*
Los fenómenos atmosf8ricos$ en es9ecial la descarga denominada rayo, han sido desde los comienzos de nuestra civilización. La representación m#s antigua
que se conoce del rayo data del año ::;; antes de risto$ y se le atribuye a un paje de Bursin, rey de la ciudad de Isin, en Mesopotamia. Ya para el año <; ; antes de risto se o=ser>a la re9re sentación del rayo en la cultura griega, yasí sucesivamente, hasta nuestros días.
Desde un punto de vista más técnico, el rayo adquiere gran importancia cuando
Benjamín Franklin, en el mes de junio de 1752, pone de manifiesto la electricidad en
las nubes al hacer saltar chispas de su célebre cometa. Sin embargo, el estudio
sistemático del rayo y sus efectos se inicia en el año de 1924 en Suecia,
debido en primer lugar a que el rayo comienza a perturbar las líneas de
transmisión de la época. Casualmente en esa misma fecha empieza la
aplicación práctica de una de las herramientas más valiosas en su observación
y medición, como lo es el osciloscopio de rayos catódicos. Desde entonces la
CAPÍTUL? II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL@ DTEGDA 27
elHctricos JKe en Kna K otra Morma aMectan a los sistemas de generación, transmisión y distribución de energía eléctrica.
N.N.QTa formación del rayo.
La descarga atmosférica conocida como rayo, es la igualación violenta de cargas de un
campo eléctrico que se ha creado entre una nube y la tierra o, entre nubes.
Los rayos que nos interesan por su efecto, son los de nube a tierra, y en éstos se pueden
encontrar 4 tipos: 2 iniciados en las nubes y 2 iniciados en tierra, ya que pueden ser
positivos o negativos. Los más comunes son de una nube negativa hacia tierra.
Los rayos iniciados en las nubes negativas, normalmente aparecen en nubes de tormenta
que usualmente miden de 3 km a más de 50 km de largo, y son consecuencia de un
rompimiento dieléctrico atmosférico. Este rompimiento una vez iniciado, avanza en
zigzag a razón de unos 50 m. por microsegundo con descansos de 50
microsegundos. Una vez que el rompimiento creó una columna de plasma en el aire, la
descarga eléctrica surgirá inmediatamente dentro de un hemisferio de unos 50 m de
radio del punto de potencial más alto. Y, cualquier objeto puede ser el foco de inicio de
esta descarga hacia arriba de partículas positivas, aún desde una parte metálica debajo
de una torre.
Los rayos consisten usualmente de descargas múltiples, con intervalos entre descargas
de decenas a centenas de milisegundos. La primera descarga es la que tiene mayor
amplitud, mientras que las subsecuentes tienen tiempos de ataque más rápidos, aunque
la velocidad de las descargas se ha encontrado que depende del lugar geográfico. La
primera descarga está entre 6x107 m/s y 15x107 m/s y la segunda entre 11x107 m/s y 13x107 m/s.
Las descargas atmosféricas pueden causar grandes diferencias de potencial en sistemas
eléctricos distribuidos fuera de edificios o de estructuras protegidas. A consecuencia de
ello, pueden circular grandes corrientes en las canalizaciones metálicas, y entre
conductores que conectan dos zonas aisladas. Pero, aún sin la descarga, una nube
cargada electrostáticamente crea diferencias de potencial en la tierra directamente
CAPÍTULV II
ESIME-IPN INGENIERÍA ELW XTYZXA 28
El campo el[ctrico de\ajo de ]na n]\e de tormenta es generalmente considerado entre 10 kV/m y 30 kV/m. Una nube de tormenta promedio podría contener unos 140 MW de
energía con voltajes hasta de 100 MV, con una carga en movimiento intra - nube de
unos 40 °C. Esta energía es la que se disipa mediante los rayos, con corrientes pico que
van de unos cuantos kiloamperes a unos 200 kA. Los rayos de una nube positiva hacia
tierra contienen más carga que sus contrapartes negativas, por lo que son muy
estudiados. En general no exhiben el mismo comportamiento de pasos de los negativos,
y suceden más frecuentemente en tormentas invernales con nieve y en latitudes altas.
Algunas particularidades aumentan la probabilidad de la caída de rayos en un lugar. Por
ejemplo, la frecuencia de descargas en un lugar es proporcional al cuadrado de la altura
sobre el terreno circundante. Esto hace que las estructuras aisladas sean particularmente
vulnerables. Además, las puntas agudas incrementan también la probabilidad de una
descarga.
^.^.^ Teorías de las descargas atmosféricas.
Las descargas atmosféricas presentan problemas para los sistemas de transmisión de
energía eléctrica, la mayoría de los disturbios son debidos a éste fenómeno.
Se dispone de algunas teorías para tratar de explicar su origen y experimentos para
estudiar sus efectos.
_a nube de tormenta denota una constitución bipolar, en la cual la carga negativa se encuentra espacialmente por debajo de la carga positiva. Acerca de la forma en que se
lleva a cabo tal distribución de cargas en la nube, no existe coincidencia de opiniones.
Numerosos experimentos con globos sonda han verificado, no obstante, dicha
distribución. La mayor parte de éstos, a nivel mundial, fueron conducidos en la década
de los años 30 por institutos de física estadounidenses. La configuración simplificada de
una nube de tormenta se ilustra en la figura 1.
CAPÍTULk II
ESIME-IPN INGENIERÍA ELw zT{|zA 29
El gradiente eléctrico. El valor promedio del gradiente el}ctrico (figura 2.5), en la proximidad de la Tierra, oscila alrededor, de los 5 V/m, para incrementarse
vertiginosamente en la proximidad de líneas de transmisión a 5 kV/m y más kV/m y
[image:33.612.193.410.174.421.2]bajo focos de tormenta (15 kV/cm y más kV/cm).
Figura 2.5 Orientación del gradiente eléctrico terrestre
2.2.2.1 Teoría de Elster y Greitel (influencia eléctrica).
Esta teoría también se conoce con el nombre de teoría de la influencia eléctrica. En
la nube se encuentran gotas de diferentes tamaños; Las más grandes se precipitan y
las más pequeñas son llevadas por el viento hacia arriba. Las gotas polarizan por la
acción del campo eléctrico existente, el cual, como se verá a continuación, denota
una dirección terrestre. Esto conduce a la formación de cargas positivas en la parte
inferior de la gota y cargas negativas en la parte superior de la misma. El roce de una
gota grande con una pequeña, al caer, trae como consecuencia un intercambio de
cargas.
En la gota pequeña predomina entonces la carga positiva y en la grande la
negativa. Ambas gotas se desplazan en sentido opuesto. En la nube, por
consiguiente, se acumulan poco a poco cargas positivas en la parte superior y 120 km
250 km
E
Appleton
CAPÍTUL~ II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL TA 30
cargas negativas en su parte inferior. El campo elctrico e así se forma favorece la separación de cargas por influencia.
En la figura 2.6 se ilustra el pensamiento básico de Elster y Geitel. La formación de la
nube se parece a lo establecido en la teoría anterior, no así la distribución y
[image:34.612.273.335.189.315.2]separación de cargas, ya que el roce entre gotas desempeña un papel determinante.
Figura 2.6 ota de lluvia segn Elster y eitel.
Informaciones recientes le restan importancia aesta teoría, ya que el roce entre gotas
parece ser importante sólo en la formación de la lluvia y no en la distribución espacial
de las cargas eléctricas.
2.2.2.2 Teoría de los Cristales de hielo.
Esta teoría explica la importancia que representan los cristales de hielo (granizo), en las
partes superiores de las nubes y también en las regiones árticas.
Simpson y Robinsón describen la formación de cargas eléctricas al chocar un granizo
con otro, permitiendo que el aire adquiera carga positiva y el hielo quede cargado
negativamente.
Elster y Greitel opinan que la separación de cargas eléctricas se debe a la fricción entre
vapor de agua con granizos o con gotas de agua. Se trata de explicar que en las
tormentas recién formadas con un gran cúmulo de nubes y en las que no existen
precipitaciones pluviales con temperaturas de 10 °C ocurran descargas eléctricas en el interior de la nube.
CAPÍTUL II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL TA 31
) )
Conocida tarnbincomo la ionizacin de la gota de lluvia esta teoría, asume al igual que la de Elster y Geitel, una influencia del campo eléctrico en la formación de la gota.
Wilson reemplaza a la acción de la gota pequeña de la teoría anterior por la acción de
los iones, simplificándose así el fenómeno de intercambio de cargas entre las gotas.
En la gota quecae se separan las cargas eléctricas por la acción del campo eléctrico. La
parte superior de la gota acusa entonces carga negativa y la inferior carga positiva, El
viento, a su vez, arrástralos iones hacia la nube, donde los negativos son atraídos por la
carga positiva de la parte inferior de la gota. Los iones positivos son repelidos al mismo
tiempo y transportados por el aire hacia la parte superior de la nube, escapando así a
la atracción de la mitad superior de la gota, la cual continúa su caída, por
consiguiente solo con carga negativa. La nube denota entonces una carga positiva en
su mitad superior y una negativa en la inferior (figura 2.7).
igura .undamento de la teoría de Wilson.
Esta teoría tropieza con algunas dificultades que se derivan de observaciones prácticas.
Así, por ejemplo, el tiempo medio de formación de una carga eléctrica de 1 C/km3, por la acción de un gradiente eléctrico de 1 kV/cm, asciende a 170 min. Para la
formación de la tormenta atmosférica esta carga resulta ser muy pequeña y con un
tiempo de formación muy largo. Esto le resta importancia a la teoría de Wilson, aunque
la misma contribuye a explicar la distribución de cargas eléctricas en la nube.
2.2.2.4 Teoría de Simpson.
Está teoría es de amplia aceptación práctica, pues se fundamenta en experimentos
CAPÍTUL II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL TA 32
Cundo se desintegran gotas de ll ia ¡or la acción de una fuerte corriente de aire las partículas así formadas denotan una carga positiva, y el aire, a su vez, causa la '
presencia de una gran cantidad de cargas negativas de muy poca masa, y por
consi-guiente, gran movilidad.En la naturaleza sucede esto cuando la corriente de aire alcanza
la velocidad suficiente para desintegrar las gotas de lluvia. L a corriente de aire
transporta entonces a los iones negativos hacia la parte superior de la nube, donde se
reúnen o combinan con las partículas de agua. Las gotas positivas que han sufrido un
fraccionamiento también son llevadas hacia arriba por la acción del viento, y cuando
éste cesa a determinadas alturas, se unen entre ellas para formar así gotas grandes y
caer de nuevo. Al llegar a la zona de vientos fuertes se desintegran otra vez aumentando
así la carga positiva.
La figura 2.8 muestra la distribución de cargas en la nube según Simpson, la cual ha
podido ser constatada en la práctica con la ayuda de globos sonda. Es interésame
apreciar que m i e n t r a s l a s p a r t e s i n f e r i o r e s de la nube denota una temperatura
[image:36.612.150.452.385.642.2]promedio de + 40 C, la parte superior alcanza valores de hasta -320C.
Figura 2.8 Nube seg¢n £impson con alturas e isotermas usuales.
Estos gradientes térmicos desempeñan, como se verá posteriormente, un papel muy
importante al formarse la descarga, ya que de acuerdo con la ley de Paschen
favorecen a la descarga con orientación terrestre.
Lluvia electropositiva Viento
00
40 -100 -320
CAPÍTUL¤ II
ESIME-IPN INGENIERÍA EL¥ ¦T§¨¦A 33
La teoría de Simpson tiene gran ventaja a su favor, ya que puede ser simulada en los
laboratorios: gotas de aproximadamente 5 mm de diámetro se desintegran cuando el
viento alcanza velocidades superiores a los 8 m/s, obteniéndose una distribución de
cargas parecida a la establecida por Simpson. En la zona donde el viento no alcance
esta velocidad crítica no se podrá formar, por consiguiente, la distribución espacial
de las cargas señaladas arriba, dificultándose así la precipitación.
Según Simpson, las primeras gotas de lluvia de una tormenta denotan
comportamiento electropositivo, según se puede verificar fácilmente en los
pluviómetros. Estas proceden, casualmente, del foco de tormenta señalado en la
figura 2.8. Las gotas siguientes denotan ya un carácter electronegativo y sólo en
estados avanzados de la tormenta es cuando vuelven á observarse gotas
electropositivas. Se supone que estas provienen entonces de los estratos superiores de
la nube.
Existen otras teorías acerca de la formación de la nube de tormenta, entre las cuales
resaltan las de R. Gunn (teoría de la condensación), Workman y Reynolds, y otros. En
vista de que estas no han adquirido una relevante importancia práctica, como las
ESIME-IPN INGENIERÍA ELÉCTRICA
C
T
O III
ALTERNATIVAS DE
MEJORA Y C
LCUL
CAPITULO III
ESIME-IPN INGENIERIA EL© ªT«¬ªA 35
® ¯ ° ±² ³ ´µ¶²·¸¶¹ º¶´¶ ±¶ »¼´´³»»·½ µ ¾³ ± ¿ ³ µ½À³µ¼ ¾ ³ ¿±¶À³¼ ·µ ¸³´¹¼ ®
La mayoría de las líneas de transmisión y distribución de alta tensión están instaladas
sobre torres enrejadas de acero. Debido a la longitud de estas líneas, si penetran en una
zona con actividad atmosférica significativa, son susceptibles de recibir impactos de
rayo directos y efectos inducidos debido a la caída de rayos en la vecindad o a descargas
entre nubes. Para dar la protección adecuada, se incorpora un cable de tierra por sobre
los conductores. Este cable está puesto a tierra al comienzo y al término de cada línea y
en todas las posiciones de soporte. En general, el electrodo de tierra en el punto de
soporte está formado por las patas de acero de las torres, enterradas en concreto en el
suelo.
Esto proporciona normalmente una impedancia a frecuencia de potencia de 10 Ù o
menos. Sin embargo, en suelo de alta resistividad, la impedancia puede ser demasiado
alta y en ese caso deben instalarse electrodos de tierra adicionales.
Si un rayo impacta una torre, entonces parte de la corriente asociada será derivada a
tierra por la base de la torre y otra parte viajará a las torres adyacentes a través del cable
de tierra aéreo. La tensión que aparece en la torre puede ser suficiente en algunos casos
para superar el voltaje de ruptura de los aisladores de la línea y ocurrirá una descarga de
retorno Áback-flashover) desde la torre a los conductores de fase.
El arreglo de electrodos de tierra puede ser un lazo horizontal situado a un metro o más
hacia afuera de cada pie de torre, posiblemente con algunas barras verticales conectadas
a él. Con resistividad de suelo alta, puede ser necesario instalar electrodos horizontales
largos (digamos 20 m) dirigidos radialmente hacia afuera desde los pies de la torre. En
los casos peores, se agrega un alambre de tierra enterrado que sigue a la línea en forma
subterránea. En diseños de línea antiguos, algunas veces se instaló entre las patas de la
torre secciones de tubería de fierro fundido, pero en esta posición normalmente no es
CAPITULO III
ESIME-IPN INGENIERIA ELÂ ÃTÄÅÃA 36
3.1.1 Æilo de guarda.
Los hilos de guarda unen las estructuras más importantes solo influyen en la corriente
de falla que circulará por la malla, pero las recomendaciones que se siguen como
Norma ( En Norteamérica empleamos la IEEE-Std 142-1991 ).
Es un conductor desnudo de 9.5 a 19 mm. de diámetro, fabricado con alambres de acero
galvanizado de alta resistencia mecánica, cobre duro, ACSR, copperweld, bronce
fosforado, etc. sus propiedades se muestran en la tabla 3.1. Se localiza en la parte
superior de la torre de transmisión y esta conectado al sistema de tierras de la torre, su
función principal es proteger a los conductores de fase de las descargas atmosféricas
[image:40.612.157.455.337.522.2]que pudieran incidir en éstos, y conducir la descarga a tierra
Tabla 3.1. Propiedades del hilo de guarda.
Numero de hilos 7
Diámetro 9,5 mm
Área 51,2 mm2
Peso 406 kg / km
Carga de ruptura 4900 kg
Modulo de elasticidad inicial 15747 kg / mm2 Modulo de elasticidad final 18137 kg/ mm2 Coeficiente de dilatación lineal 11,52 x 10-6 / ºC
Además, en la parte alta de las torres se conectan se conectan a los hilos de guarda un
cable de tierra que sirve para derivar a tierra las ondas de sobretensión inducida por la
descarga como se aprecia en la figura 3.1.
Se debe evitar que la descarga o el arco salte de los hilos de guarda con los conductores
de fase, por lo que en general se adopta una distancia entre conductores de fase e hilos
CAPITULO III
ESIME-IPN INGENIERIA ELÇ ÈTÊËÈA 37
HILOS DE GUARDA
CUERPO DE LA TORRE
TRABE
AISLADORES
[image:41.612.154.485.74.322.2]CONDUCTORES
Figura 3.1. Elementos de la torre de transmisiÌn de Î ÏÏÐÑ
El cable de guarda bien instalado protege de varias maneras:
a) Dando a la línea una impedancia pequeña externa posible, por lo cual disminuye
la sobretensión.
b) Disminuye la carga inducida por las nubes en la línea al ofrecer inmediatamente
cargas traídas del suelo en cantidades ilimitadas para satisfacer las necesidades
del campo de la nube.
c) Al descargar la nube sobre la línea de transmisión, las cargas capturadas por el
cable van directamente al sistema de puesta a tierra. Una conexión fallida a tierra
nulifica el efecto protector del cable.
d) Si el cable está bien situado y bien conectado pueden suceder alguna de las
siguientes eventualidades:
Ò Que sea el único conductor en la línea de transmisión tocado por la descarga atmosférica.
Ò Que la mayor parte de la descarga atmosférica, sea conducido por el cable de guarda, de donde resulta una disminución considerable de la
CAPITULO III
ESIME-IPN INGENIERIA ELÓ ÔTÕÖÔA 38
×Øue las descarÙas atmosféricas de magnitud mediana hagan flamear los aisladores de una fase, en lugar de afectar los tres polos y causar una falla
trifásica.
3.1.2 Úuesta a tierra.
Los sistemas se conectan a tierra para limitar las sobretensiones eléctricas debidas a
descargas atmosféricas y/o transitorios en la red por contacto accidental en las líneas de
alta tensión, y para estabilizar la tensión eléctrica durante su operación. Los equipos se
conectan a tierra de modo tal que ofrezcan un camino de baja impedancia para limitar la
diferencia de potencial que, en un momento dado se puede presentar entre las
estructuras metálicas y tierra.
Cuando se hace la instalación de puesta a tierra, se piensa inmediatamente en una varilla
o una malla de metal conductora (red de tierra), ahogada en el terreno inmediato de la
instalación eléctrica, con el fin de que las descargas fortuitas, sean confinadas en forma
de ondas y se dispersen en el terreno subyacente.
3.1.2.1 Funcionalidad de los sistemas de tierras.
Con respecto a su funcionalidad, los sistemas de tierras se clasifican en:
Sistemas de tierra de protección.
Sistemas de tierra de funcionamiento.
Sistemas de tierra de trabajo.
Ûistemas de tierra de protecciÜn.
Limitan el valor de la tensión contra tierra en las partes del sistema eléctrico que no
deben de ser mantenidas ni en tensión ni aisladas y con las cuales pudiera estar en
contacto el personal.
Ûistemas de tierra de funcionamiento.
Este sistema de tierras es necesario para el buen funcionamiento, generalmente se
CAPITULO III
ESIME-IPN INGENIERIA ELÝ ÞTßàÞA 39
âistemas de tierra de trabaão.
Estos sistemas de protección son de carácter provisional, normalmente utilizados para
poner a tierra una parte del circuito ó instalación eléctrica para efectuar un trabajo ó
alguna reparación.
3.1.2.2 Componentes del sistema de tierras.
Los sistemas de tierras se componen de tres elementos principales:
El dispersor ó electrodo.
Está constituido por un cuerpo metálico ó un conjunto de cuerpos metálicos puestos en
contacto directo con la tierra y destinados a dispersar las corrientes de tierra. Así los
electrodos elementales son aquellos que se utilizan para poner a tierra medios de
servicio e instalaciones electrotécnicas de manera unitaria, es decir, cuando se drena a
tierra toda la corriente a través del electrodo. Generalmente como electrodos se adoptan
formas geométricas bien definidas, tales como: semiesferas, placas circulares ó
elípticas, varillas sólidas, tubos y conductores cilíndricos.
El conductor de tierra.
Está constituido por un conductor que sirve para unir las partes de puesta a tierra con el
dispersor.
Los colectores eventuales de tierra.
Conjunto de colectores, de los cuales se hacen más dispersores y conductores de
corriente. Es una combinación de formas geométricas de electrodos, por medio de estas
combinaciones se hacen derivaciones de corriente a tierra de manera distribuida.
3.1.2.3 ärincipales características para los sistemas de puesta a tierra.
åorriente de tierra æ.
Corresponde al valor máximo que se tiene de la corriente en Amperes y que debe ser
