Las Normas IEC 60071-1 y 60071-2 (resumen)
Son las establecidas por la IEC para la coordinación del aislamiento en
instalaciones de corriente alterna en alta y extra alta tensión. Concretamente, especifican los criterios y el procedimiento para la selección de las tensiones de soportabilidad nominal para los aislamientos fase-fase, fase-tierra y
longitudinal del equipamiento y las instalaciones eléctricas mayores a 1kV. En la norma IEC 60071-1, la coordinación del aislamiento está definida de la siguiente manera: “La coordinación del aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual se hallan instalados, teniendo en cuenta las
condiciones ambientales de servicio y las características de los dispositivos de protección disponibles”. El procedimiento de coordinación del aislamiento propuesto por la norma IEC 60071-1, puede resumirse de la siguiente manera: El primer paso a realizar es la estimación de la tensión representativa Urp en los equipos o en la instalación a diseñar, teniendo en cuenta los niveles de protección proporcionados por los equipos de protección instalados y el valor máximo de la tensión de operación - Para las instalaciones de la Gama I, se analizan las sobretensiones temporales y las sobretensiones de origen atmosférico. - Para las instalaciones en la Gama II, se analizan las
sobretensiones de frente lento y las de origen atmosférico. 12 Se determina la tensión soportada de coordinación, UCW, que es la tensión soportada que cumple los criterios de diseño en las condiciones de servicio en que
funcionarán los equipos o la instalación. La selección de la tensión soportada de coordinación se basa, por tanto, en la tasa de riesgo aceptada y su cálculo se realizará multiplicando la tensión representativa por el factor de
coordinación KC, cuyo valor depende del aislamiento (autorregenerable, no autorregenerable) y del método de coordinación del aislamiento (determinista, estadístico) que es posible aplicar. La tensión soportada de coordinación UCW, se convierte en la tensión soportada especificada o requerida, que es la tensión normalizada o de ensayo que el aislamiento debe soportar para asegurar que se cumplirá el criterio de diseño. La tensión soportada especificada se obtiene multiplicando la tensión soportada de coordinación por un factor de seguridad Ks, que compensa las diferencias entre las condiciones ambientales y de
servicio y las normalizadas. Se selecciona el conjunto de tensiones soportadas normalizadas que satisfacen las tensiones soportadas especificadas. La tensión soportada normalizada es la tensión aplicada en un ensayo de tensión
normalizado, y su selección permite justificar que el aislamiento resistirá las tensiones soportadas especificadas que fueron estimadas en el paso anterior. La tensión soportada normalizada puede elegirse para la misma forma de onda
normalizada que la tensión soportada especificada (continua, tipo maniobra, tipo rayo) o para una forma de onda distinta mediante la aplicación del factor de conversión de ensayo Kt. Finalmente, se selecciona el nivel de aislamiento normalizado, es decir, el nivel de aislamiento asignado cuyas tensiones
soportadas normalizadas están asociadas a la tensión de operación más elevada según la clasificación de la IEC.
AISLAMIENTO Y CORRDINACION DE AISLAMIENTO
La diferencia está en que el aislamiento Comprende la selección de la soportabilidad o resistencia eléctrica de un equipo y su aplicación en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual el equipo será utilizado, teniendo en cuenta las características de los dispositivos de
protección disponibles, de tal manera que se reduzca a niveles económicos y operacionalmente aceptables la probabilidad de que los esfuerzos de tensión resultantes impuestos en el equipo causen daño al aislamiento o afecten la continuidad del servicio. Y la coordinación de
aislamiento.Es la seleccion de la rigidez dialéctica de los equipos en relación c
on las tensiones que pueden aparecer en el sistema en el cual se hallan instalados, teniendo en cuenta las condiciones ambientales deservicio y las características de protección disponibles. Es decir la coordinación de
aislamiento consiste en combinar las características de operación de los
descargadores con las curvas voltaje - tiempo de los aislamientos de los equipos, de manera que se tenga una protección efectiva y económica contra los sobrevoltajes transitorios.
Dicho de otra forma mientras que el primero hace referencia al
comportamiento de un equipo sobre a los niveles elevados de tensión, el segundo se refiere a todo el sistema compuesto por los equipos y protecciones de una subestación eléctrica
Los sistemas eléctricos están sujetos a sobre tensiones que se pueden
modificar en función de los parámetros del sistema eléctrico, debe existir una coordinación razonable entre las sobretensiones existentes, los aislamientos auto recuperables, los aislamientos de los equipos eléctricos y el nivel de respuesta de los descargadores. Asimismo los aislamientos auto recuperables de las máquinas se deben diseñar de tal manera que no existan puntos
vulnerables para dichas solicitaciones dieléctricas transitorias. Es importante también conocer las pruebas finales de evaluación de los aislamientos de las máquinas, componentes y equipos de alta tensión. Las subestaciones
eléctricas de alta tensión tienen entre sus principales componentes lo siguiente: Equipos de potencia: Transformadores de potencia, banco de condensadores, reactores de potencia, SVC, SC, etc. Equipos de
maniobra: Interruptor de potencia, seccionadores, transformadores de medida, pararrayos, etc. Este equipamiento debe contar con el nivel de aislamiento externo para la altitud de su instalación (msnm); siendo
este nivel de aislamiento, el requerido ante las sobretensiones de origen atmosférico que ingresan a la subestación; mayormente a las que se encuentran por encima de los 3000 msnm.
Descargadores de Sobretensión DST
La selección se hace con dos pasos principales:
• Contrastando las características eléctricas de los descargadores con los requisitos eléctricos de la red
• Contrastando las características mecánicas de los descargadores con los requisitos mecánicos y medioambientales de la red .La selección final se refleja en la designación de tipo del descargador.
Con la selección de sistemas de protección adecuados se pueden reducir los daños provocados por las sobretensiones. Cuando los sistemas son afectados por sobretensiones, debe procurarse que descarguen a tierra lo más
rápidamente posible, esta función la desempeñan los descargadores de sobretensiones.
Los descargadores de sobretensión, son elementos destinados a proteger a los componentes del sistema que poseen aislamiento no autorestaurable, es decir un aislamiento que recuperara sus propiedades luego de que en este ocurra una descarga, en particular a los transformadores de potencia. Los
transformadores son el corazón de las subestaciones, y por consiguiente son esenciales para los sistemas de potencia, tienen un costo sumamente elevado, obedecen a largos periodos de fabricación y presentan gran dificultad para su traslado, por lo general, se requiere de planes de transporte y movilización para llevar a cabo esta actividad, por estas razones es muy importante
protegerlos de cualquier fenómeno que los pueda averiar. Las sobretensiones pueden dañar seriamente estas máquinas eléctricas, por tal motivo se deben colocar descargadores de sobretensiones que protejan al equipo con el menor rango de error posible, ya que la selección errónea de un descargador de sobretensión, pondría en juego la operación de tan importante equipo a lo largo de su vida útil.
Los descargadores también protegen las líneas de transmisión, contra las sobretensiones transitorias elevadas drenándolas a tierra; limitando su prolongación y disminuyendo las magnitudes de las tensiones residuales. La selección de un descargador inadecuado para un determinado sistema puede volver vulnerable una instalación contra las sobretensiones, poniendo en riesgo la vida útil de los equipos y la continuidad del servicio eléctrico, lo cual es perjudicial tanto para la empresa de suministro de energía eléctrica como para sus clientes.
Para seleccionar un descargador de sobretensión hay que tener
en cuenta lo siguiente
Actualmente se emplean DST de óxido de zinc (ZnO) conformados por
varistores de ZnO en serie ubicados en el interior de un cilindro de porcelana, los cuales disminuyen su resistencia interna ante la presencia de una
sobretensión, dirigiéndola a tierra, retornando a su estado de alta resistencia a la señal de potencia a frecuencia industrial.
Tensión máxima de red (Um) La tensión máxima entre fases durante el
servicio normal.
Corriente de descarga nominal (IEC) El valor máximo del impulso de corriente de descarga que se utiliza para clasificar el descargador.
Corriente de clasificación de descarga (ANSI/IEEE) La corriente de descarga nominal que se utiliza para efectuar las pruebas de clasificación.
Tensión nominal (Ur) Un descargador que cumple con la norma IEC debe
resistir su tensión nominal (Ur) durante 10 s después de ser precalentado a 60°C y sometido a una inyección de energía según se define en la norma. Así, Ur debe ser como mínimo igual a la capacidad de sobretensión temporal de 10 segundos de un descargador. Además, la tensión nominal se utiliza como parámetro de referencia.
Tensión de funcionamiento nominal (ANSI) Es la tensión nominal máxima admisible entre terminales para el funcionamiento de un descargador.
Tensión de trabajo continuo Es la tensión de frecuencia industrial eficaz
del descargador. Esta tensión se define de distintas formas (se verifica con diferentes procedimientos de prueba) en IEC y ANSI.
IEC (Uc) IEC permite al fabricante decidir la tensión Uc. El valor se verifica en la prueba normalizada. Debe explicarse cualquier distribución de tensión desigual en el descargador.
ANSI (MCOV) ANSI establece la tensión de trabajo continuo máxima (MCOV)
para todas las características nominales de descargador utilizadas en una tabla. El valor es utilizado en todas las pruebas especificadas por ANSI. MCOV es menos estricta en lo que se refiere a la distribución de tensión desigual en un descargador.
Sobretensiones temporales (TOV) Las sobretensiones temporales, a
diferencia de las sobretensiones instantáneas, son sobretensiones de
frecuencia industrial oscilantes de duración relativamente larga (entre algunos ciclos y varias horas). La forma más habitual de sobretensión temporal se produce en las fases sanas de una red, durante una pérdida a tierra en una o varias fases. Otras fuentes de sobretensión temporal son el rechazo de carga, la energización de líneas descargadas, etc. La capacidad de sobretensión temporal de los descargadores está indicada con la carga energética primaria en los catálogos pertinentes.
Tensión residual/tensión de descarga Éste es el valor máximo de la
tensión, que aparece entre los terminales de un descargador cuando pasa por él la corriente de descarga. La tensión residual depende de la magnitud y la forma de onda de la corriente de descarga. Las características de tensión y corriente de los descargadores se indican en los catálogos pertinentes.
Capacidad de energía Las normas no definen de forma explícita la capacidad
de energía de un descargador. La única medida especificada es la Clase de Descarga de Línea en IEC. Por regla general, esta información no es suficiente para comparar diferentes fabricantes y, por consiguiente, ABB también
presenta la capacidad de energía en kJ/kV (Ur ). Esto se hace de tres formas distintas:
Dos impulsos, según la cláusula IEC 8.5.5. Ésta es la energía a que es sometido el descargador en la prueba normalizada de la sobretensión de trabajo (cláusula 8.5.5.), manteniéndose posteriormente la estabilidad térmica con la sobretensión temporal y la Uc especificadas. Energía de prueba rutinaria Ésta es la energía total a que es sometido cada uno de los bloques en nuestras pruebas de producción. Energía de impulso único Ésta es la energía máxima admisible a la que puede ser sometido un descargador en un sólo impulso con una duración de 4 ms o más, manteniéndose posteriormente la estabilidad térmica con la sobretensión temporal y la Uc especificadas.
Capacidad de cortocircuito Es la capacidad de un descargador, en caso de
producirse una sobrecarga por cualquier motivo, de conducir la corriente de cortocircuito de servicio resultante sin sufrir una ruptura violente que podría causar daños en los equipos circundantes o daños personales. Después de una
operación de este tipo se debe cambiar el descargador. La corriente de
cortocircuito de servicio puede ser alta o baja, dependiendo de la impedancia y las condiciones de puesta a tierra de la red. Por tanto, la capacidad de
cortocircuito se verifica con diferentes niveles de corriente.
Resistencia del aislamiento externo Es el valor máximo de la tensión
aplicada (para una forma de onda especificada) que no genera un arco en el descargador. A diferencia de otros equipos, los descargadores están diseñados para descargar internamente y la tensión en el revestimiento no puede
sobrepasar nunca los niveles de protección. Así, el aislamiento externo está autoprotegido si su resistencia es superior a los niveles de protección
corregidos para la altitud de instalación. Las normas especifican los siguientes factores de seguridad adicional, excepto a corrección de altitud:
• IEC: 15% para impulsos cortos y 10% para impulsos largos (al nivel del mar) • ANSI: 20% para impulsos cortos y 15% para impulsos largos (al nivel del mar) Características de contaminación IEC 60815 define cuatro niveles de
contaminación (entre moderada y muy fuerte) y estipula la fuga requerida para revestimientos de porcelana indicada en la tabla adjunta.
Nivel de contaminación Fuga específica en mm/kV (Um)
Moderado (L) 16
Medio (M) 20
Alto (H) 25
Muy alto (V) 31
Si no existen normas similares para revestimientos de polímero, la tabla
también rige actualmente para esos revestimientos. La distancia de fuga es la longitud medida a lo largo del perfil externo del revestimiento y sirve de medida del comportamiento del descargador en entornos contaminados en lo que respecta al riesgo de arcos externos. Dado que el diámetro medio de los descargadores normalizados es inferior a 300 mm, la distancia de fuga específica es igual a la distancia de fuga nominal.
EJEMPLO
Datos de subestación:
Tensión máxima de red: 145 Kv Ubicación del descargador: Fase a
tierra
Puesta a tierra de servicio: Efectiva Tiempo de eliminación de falla de red: 1 s
Distancia de fuga: 3.000
mm
Tabla 1 Primero
Ur0 = 0,72xUm (según la tabla 1) = 0,72x145 = 104,4 kVrms.
Seleccionar el valor Ur estándar inmediato superior (vea ”Datos de protección garantizados); por ejemplo, 108 kVrmsrms.
Tabla 2 Segundo
Según la tabla 2, para 145 kVrms se elegiría normalmente un descargador con descarga de línea de clase 2, es decir PEXLIM R. Este descargador tiene una relación Upl/Ur de 2,59, o sea Upl pico de 280 kV a 10 kA (según la tabla 3). Con un Uwl pico de 550 kV se obtendría un margen de protección de (550/280-1)x100 = 96 %.
Tercero
Este margen parece excelente, pero debe tenerse en cuenta que, dependiendo del efecto de distancia y el posible envejecimiento del aislamiento, el margen se reduce a tan solo el 10%-15% después de considerarse el efecto de
distancia y según la empinadura y amplitud del impulso elegido. Por tanto, es muy importante instalar el descargador lo más cerca posible del objeto a proteger.
Cuarto
Si el margen se considera insuficiente, elija un descargador de clase 3; por ejemplo, PEXLIM Q con la misma tensión nominal de 108 kV.
Para una distancia de fuga de 3.000 mm, por ejemplo, 20,7 mm/kV, debe seleccionarse un revestimiento YH145 (XH145 para PEXLIM Q).
Sexto
Entonces, la designación de tipo del descargador seleccionado será: PEXLIM R108-YH145 (o PEXLIM Q108-XH145)
Teniendo en cuenta que estos valores fueron sacado del catálogo descargadores de sobre tención ABB
