Verificación de la Coordinación de aislamiento de la Subestación Cotocollao de la EEQ S A

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. VERIFICACION DE LA COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO DE LA SUBESTACIÓN COTOCOLLAO DE LA EEQ.S.A.. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA ELÉCTRICA. PAMELA MARIANA VACA VARGAS [email protected]. DIRECTOR: Ing. PAÚL AYORA [email protected]. Quito, mayo 2011.

(2) i. DECLARACIÓN. Yo, Pamela Mariana Vaca Vargas, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.. ___________________________ Pamela Mariana Vaca Vargas.

(3) ii. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Pamela Mariana Vaca Vargas, bajo mi supervisión.. ________________________ Ing. Paul Ayora DIRECTOR DEL PROYECTO.

(4) iii. AGRADECIMIENTO. El presente trabajo ha sido realizado gracias a la colaboración de varias personas e instituciones y de manera muy especial agradezco a: Mis Padres y hermano porque con su amor y apoyo incondicional me han permitido conseguir cada uno de mis sueños. Fabricio Porras, mi gran amigo, compañero de aula y de vida que con su cariño, preocupación y constante vigilancia me ha acompañado desde el principio de este reto. La Empresa Eléctrica Quito, que desde mis prácticas pre profesionales me permitió conocer a excelentes profesionales como: Ing. Pedro Larrea, Ing. Luis López, Ing. Manuel Rueda, Ing. Fernando Gómez, que aportaron con su conocimiento y colaboración al presente documento. Los compañeros operadores del Despacho de Carga de la Empresa Eléctrica Quito, que durante mis prácticas pre profesionales me enseñaron a querer aún más a la Ingeniería Eléctrica. Los compañeros de labores en la Subsecretaría de Gestión de Proyectos del Ministerio de Electricidad y Energía Renovable quienes con su simpatía y amistad han impulsado la última parte de este estudio, y de manera especial al Dr. Hugo Arcos quien fue partícipe de esta experiencia profesional. Al Ingeniero Paul Ayora, quien con sus múltiples indicaciones y enseñanzas dentro de las aulas y posteriormente en la dirección de este trabajo ha hecho posible la culminación de este objetivo personal..

(5) iv. DEDICATORIA. A mi padre Mario Gonzalo Vaca Naranjo A mi madre Mabel Vargas Hernández A mi hermano Mario Gonzalo Vaca Vargas A mi esposo Augusto Fabricio Porras Ortiz A mi abuela Blanca Hernández Vda. De Vargas A mi tía Hilda María Vaca Naranjo con mucho cariño desde lo más profundo de mi corazón.

(6) v. CONTENIDO. DECLARACIÓN ................................................................................................... i CERTIFICACIÓN ................................................................................................ ii AGRADECIMIENTO ........................................................................................... iii DEDICATORIA ................................................................................................... iv CONTENIDO ....................................................................................................... v RESUMEN ....................................................................................................... viii PRESENTACIÓN ............................................................................................... ix CAPITULO 1 ...................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1 1.1 GENERALIDADES ..................................................................................... 1 1.1.1 SOBREVOLTAJES ............................................................................... 2 1.1.2 CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SOBREVOLTAJES 2 1.1.3 AISLAMIENTO ELÉCTRICO................................................................. 9 1.1.4 PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES .................................... 11 1.1.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO ................................................. 11 1.2 OBJETIVOS ............................................................................................. 15 1.2.1 OBJETIVO GENERAL ........................................................................ 15 1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................... 15 1.3 ALCANCE ................................................................................................ 16 1.4 JUSTIFICACION DEL PROYECTO ......................................................... 16 CAPITULO 2 .................................................................................................... 17 MARCO TEÓRICO........................................................................................... 17 2.1 SOBREVOLTAJES .................................................................................. 17 2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SOBREVOLTAJES ................................... 17 2.2 AISLAMIENTO ELÉCTRICO .................................................................... 41 2.3 PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES.......................................... 42 2.3.1 DESCARGADORES O EXPLOSORES .............................................. 43 2.3.2 APARTARRAYOS DE TIPO “EXPULSIÓN” ........................................ 44 2.3.3 APARTARRAYOS TIPO RESISTENCIA NO LINEAL ......................... 44 2.3.4 CRITERIOS DE SELECCIÓN DE APARTARRAYOS ......................... 53 CAPITULO 3 .................................................................................................... 59.

(7) vi METODOLOGÍA PROPUESTA Y APLICACIÓN .............................................. 59 3.1 NORMA IEC 60071-2 ............................................................................... 59 3.1.1 SOBREVOLTAJES REPRESENTATIVOS Urp. .................................. 61 3.1.2 VOLTAJES TOLERABLES DE COORDINACIÓN Ucw. ....................... 72 3.1.3 VOLTAJES TOLERABLES REQUERIDOS URW. ................................ 74 3.1.4 VOLTAJES TOLERABLES REQUERIDOS PARA PRUEBAS ............ 77 3.1.5 VOLTAJES NORMALIZADOS ............................................................ 78 3.1.6 NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADOS ................................ 80 3.1.7 DISTANCIAS DE AISLAMIENTO EN AIRE ........................................ 81 3.1.8 DISTANCIAS DE SEGURIDAD .......................................................... 83 3.2 RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................... 89 CAPITULO 4 .................................................................................................. 100 SIMULACIÓN EN EL ALTERNATIVE TRANSIENTS PROGRAM ................. 100 4.1 INTRODUCCIÓN [14], [28] .................................................................... 100 4.1.1 ATPDRAW [14], [28] ......................................................................... 101 4.1.2 TPBIG [14], [28] ................................................................................ 103 4.1.3 TOP [14], [28] .................................................................................... 105 4.2 REPRESENTACIÓN DE LOS COMPONENTES DE RED .................... 105 4.2.1 SIMULACION DE SOBREVOLTAJES DE FRENTE RÁPIDO .......... 106 4.2.2 SIMULACION DE SOBREVOLTAJES DE FRENTE LENTO ............ 112 4.3 PARÁMETROS PARA LOS MODELOS DE LA SUBESTACIÓN COTOCOLLAO ............................................................................................ 113 4.3.1 LÍNEA DE TRANSMISIÓN ................................................................ 114 4.3.2 EQUIPOS Y ELEMENTOS DE LA SUBESTACIÓN ......................... 115 4.3.3 FUENTE TIPO RAYO ....................................................................... 117 4.4 CIRCUITOS SIMULADOS ..................................................................... 117 4.5 RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................. 118 4.5.1 SOBREVOLTAJES DE FRENTE RÁPIDO ....................................... 118 4.5.2 SOBREVOLTAJES DE FRENTE LENTO ......................................... 126 CAPITULO 5 .................................................................................................. 132 ANÁLISIS DE RESULTADOS ........................................................................ 132 5.1 CÁLCULOS ............................................................................................ 132 5.2 SIMULACIONES .................................................................................... 135 5.2.1 SOBREVOLTAJES DE FRENTE RÁPIDO ....................................... 135 5.2.2 SOBREVOLTAJES DE FRENTE LENTO ......................................... 140.

(8) vii CAPITULO 6 .................................................................................................. 141 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................. 141 6.1 CONCLUSIONES................................................................................... 141 6.2 RECOMENDACIONES .......................................................................... 143 CAPITULO 7 .................................................................................................. 144 BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................. 144 ANEXOS ........................................................................................................ 147.

(9) viii. RESUMEN La coordinación de aislamiento es la selección del voltaje tolerable normalizado de los equipos teniendo en cuenta: i) los sobrevoltajes que pueden aparecer dentro de un sistema, ii) los medios de protección que se pueden instalar para aplacar estas solicitaciones y iii) las condiciones ambientales de la zona. Todo esto con la finalidad de obtener un riesgo de falla aceptable. Bajo este esquema, se hace una revisión de los conceptos relacionados con sobrevoltajes y coordinación de aislamiento que permiten la fácil comprensión en la aplicación de la metodología propuesta por la norma IEC 60071-2. El uso de esta norma en este estudio se efectuó con la finalidad de verificar el nivel de aislamiento que fue seleccionado a partir del concepto de BIL (Basic Impulse Level) durante el diseño de la subestación. Posterior a la determinación del nivel de aislamiento seleccionado para los diferentes niveles de voltaje de la instalación, se establecen las distancias en aire de acuerdo con la norma y se calculan las distancias de seguridad para cada condición de la subestación a partir de las investigaciones realizadas por la Comisión Electrotécnica Internacional. Como actividad complementaria se prepararon simulaciones en el programa ATP de la onda tipo rayo y de maniobras de energizacion en cada uno de los diferentes niveles de voltaje que contempla la subestación con el objeto de establecer los máximos voltajes esperados y cotejar los resultados del nivel de aislamiento seleccionado a través de los cálculos..

(10) ix. PRESENTACIÓN En la sociedad actual, la electricidad es sinónimo de progreso y calidad de vida y su ausencia puede traducirse en un auténtico desastre debido a la dependencia que la humanidad ha creado alrededor de este servicio. Para evitar este tipo de incidentes, los sistemas eléctricos deben diseñarse para resistir tanto fenómenos naturales, como los problemas propios de las redes eléctricas. El. conocimiento. del. funcionamiento. de. los. sistemas. eléctricos,. del. comportamiento de los materiales y la simulación de los distintos fenómenos, permiten plantear soluciones y mejoras que se adapten desde el diseño inicial, pasando por la instalación, hasta la operación y mantenimiento de las instalaciones. Por otro lado, las tendencias actuales por el cuidado del medio ambiente y la reducción de la presión urbanística, exigen una disminución de los espacios ocupados por las instalaciones eléctricas convencionales en determinadas zonas, generando de esta manera la implementación de subestaciones blindadas. Bajo las condiciones anteriormente citadas y con la intención de establecer un mecanismo de verificación del aislamiento en las subestaciones, surge el presente trabajo que analiza el caso específico de la subestación Cotocollao de la EEQ S.A..

(11) 1. CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN 1.1 GENERALIDADES A pesar de que los sistemas eléctricos operen en régimen permanente la mayor parte del tiempo, éstos deben ser diseñados para trabajar en las peores condiciones a las que puedan estar sometidos, estas solicitaciones extremas normalmente ocurren en situaciones transitorias, es por esta razón que un proyecto de un sistema de potencia debe ser determinado por las condiciones transitorias y no solo por su comportamiento en régimen permanente. Un importante aspecto en el análisis de fenómenos transitorios1 es el hecho de que los componentes físicos que conforman al sistema pueden tener diferentes modelos de representación dependiendo del contexto del problema que se esté estudiando. Así, una línea de transmisión puede ser tratada como una sección corta de barra, como una línea larga infinita o como una inductancia, capacitancia o resistencia, de la misma manera un transformador o un reactor pueden ser representados por una inductancia, por una red de capacitancias o por una combinación de los dos. Conceptualmente, se puede plantear un modelo matemático que represente todas las características de un elemento a la vez, pero de existir tal modelo acarreará complejas e ineficientes operaciones dependiendo de la situación en la que se le emplee, por esto, un ingeniero que pretenda especializarse en el estudio de transitorios deberá comprender que en la práctica no existe un modelo único para la representación de los elementos, sino que dependiendo del fenómeno analizado, se escogerá el mejor modelo que se ajuste al sistema. Los transitorios en sistemas eléctricos pueden ocurrir debido a descargas atmosféricas, fallas o maniobras, logrando generar sobrevoltajes, sobrecorrientes, formas de onda anormales y transitorios electromecánicos que afectan de manera considerable a la red. De ahí que los equipos e instalaciones eléctricas son 1. En ingeniería eléctrica de potencia es usual referirse a los fenómenos transitorios, únicamente con la palabra “transitorios” (o transitorio) y así se lo hará en este texto..

(12) 2 propensos a estar sometidos a sobrevoltajes que pueden afectar su aislamiento y provocar fallas o averías. El estudio de los sobrevoltajes es de fundamental importancia para determinar tanto el nivel de aislamiento que se debe seleccionar para los distintos componentes de un sistema como los medios o dispositivos de protección que es necesario instalar. El estudio de sobrevoltajes y la selección de aislamientos y dispositivos de protección es el objetivo de lo que se conoce como Coordinación de Aislamiento [1]. Existen varias definiciones de Coordinación de Aislamiento de acuerdo a los elementos que intervienen el concepto, a continuación se listarán algunas empezando por la más elemental hasta la más compleja: a) Coordinación de Aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica. b) Coordinación de aislamiento es el proceso de selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con los sobrevoltajes esperados del sistema y las características de los dispositivos de protección [1]. c) La Coordinación de Aislamiento es la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con los voltajes 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 [2]. d) Coordinación de Aislamiento es la selección del voltaje. tolerable. normalizado de los equipos teniendo en cuenta los sobrevoltajes que pueden aparecer, así como los medios de protección que se pueden instalar y las condiciones ambientales de la zona, para obtener un riesgo de falla aceptable [1]. 1.1.1 SOBREVOLTAJES Un sobrevoltaje es una solicitación variable en el tiempo cuyo valor máximo es superior al valor pico del voltaje nominal del sistema en el que se origina [1]. 1.1.2 CLASIFICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LOS SOBREVOLTAJES La primera clasificación de los sobrevoltajes se basa en el origen y las causas pueden ser internas o externas a la red. Los sobrevoltajes de origen externo son.

(13) 3 provocados por causas ajenas al sistema y son originados principalmente por el impacto de rayos en la red. Los sobrevoltajes de origen interno son los producidos en el propio sistema y se dividen a su vez en sobrevoltajes temporales y de maniobra. Estos últimos son ocasionados por operaciones de apertura y cierre de disyuntores o seccionadores que de manera general provocan procesos transitorios que puede originar sobrevoltajes y sobrecorrientes. Una segunda clasificación de los sobrevoltajes se basa en las principales características del proceso transitorio como son: el valor pico, la duración, y la frecuencia en el proceso transitorio si este es oscilatorio, o el tiempo al valor pico si el proceso transitorio es unidireccional. De acuerdo con esto se pueden distinguir las siguientes clases: a) Sobrevoltajes. temporales:. son. de. larga. duración. (desde. varios. milisegundos a varios segundos), y de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación. b) Sobrevoltajes de frente lento: son generalmente originados por maniobras, tienen una corta duración (pocos milisegundos) y se presentan con una gama de frecuencias que varía entre 2 y 20 kHz. c) Sobrevoltajes de frente rápido: son generalmente causados por rayos, son de duración muy corta y de amplitud muy superior al voltaje pico nominal. d) Sobrevoltajes de frente muy rápido, se originan generalmente con fallas y maniobras en subestaciones de SF 6, su duración es de pocos microsegundos, y su frecuencia es generalmente superior a 1 MHz. La Figura 1.1 muestra una relación entre el tipo de sobrevoltajes, la duración y el orden de la magnitud que puede alcanzar el valor pico. (Se excluyen a los de frente muy rápido).. Figura 1.1 Clasificación de sobrevoltajes [2]..

(14) 4 Como se explicó anteriormente, los sobrevoltajes pueden estar vinculados con diferentes causas en las cuales participan varios parámetros y variables que determinan las diversas categorías de los sobrevoltajes, a continuación se enunciarán los parámetros más decisivos: a) Valor pico: además del voltaje nominal de la red, que siempre será una referencia, el valor máximo de un sobrevoltaje dependerá de ciertos factores, según sea la causa u origen: · En sobrevoltajes temporales y de frente lento originados por una falla o maniobra influirán el instante en el que se inicia el proceso transitorio,. la. carga. atrapada. en. el. lado. del. consumo,. el. amortiguamiento que introducen los distintos equipos de la red y en algunos casos de maniobras en líneas y cables en vacío es necesario conocer los coeficientes de reflexión. · En sobrevoltajes de frente rápido o muy rápido originados por una maniobra, además de las causas mencionadas anteriormente, habrá que añadir las impedancias características de los componentes que intervienen en el proceso transitorio. En sobrevoltajes de frente rápido o muy rápido provocados por una descarga atmosférica influirán las impedancias características de líneas, cables y otros equipos, los coeficientes de reflexión en puntos cercanos al punto de impacto y el instante de impacto de la descarga. b) Frecuencia de las oscilaciones: las frecuencias que aparecerán en los sobrevoltajes oscilatorios estarán en función de las frecuencias de las fuentes que alimentan la red y de las frecuencias naturales que pueden originarse entre los distintos equipos. La frecuencia natural de un circuito es el resultado de intercambio de energía entre el campo eléctrico y el campo magnético, y depende de los valores de sus parámetros no disipativos (L y C): f =. 1 2p LC. Ecuación 1.1. [2].

(15) 5 c) Duración: la duración de un sobrevoltaje dependerá fundamentalmente de dos factores, la causa y el amortiguamiento que introducen los componentes de la red. La norma IEC 60071-1 establece una clasificación de sobrevoltajes de acuerdo con una forma de onda y una duración normalizadas. La Tabla 1.1 presenta un resumen de las características más importantes de cada tipo de sobrevoltaje. Se puede comprobar que están divididas en dos grupos: Sobrevoltajes de baja frecuencia: son de larga duración y se originan con una frecuencia igual o próxima a la de operación. Este tipo de sobrevoltajes se divide a su vez en: · Voltaje permanente a frecuencia industrial: Voltaje a frecuencia de operación de la red con un valor eficaz constante y aplicado permanentemente. · Sobrevoltaje temporal: sobrevoltaje de frecuencia industrial y duración relativamente. larga.. Un. sobrevoltaje. de. este. tipo. puede. ser. amortiguado o débilmente amortiguado. 1. Sobrevoltaje transitorio: es de corta duración (algunos milisegundos), oscilatorio o unidireccional y generalmente muy amortiguado.. Los. sobrevoltajes transitorios se dividen a su vez en: · Sobrevoltajes de frente lento: generalmente son oscilatorios con un tiempo de subida hasta el valor pico Tp comprendido entre 20 y 5.000 µs y con un tiempo de cola T2 igual o inferior a 20 ms. · Sobrevoltajes de frente rápido: generalmente son unidireccionales con un tiempo de subida hasta el valor pico T1 comprendido entre 0,1 y 20 µs y con un tiempo de cola T2 igual o inferior a 300 µs. · Sobrevoltajes de frente muy rápido: generalmente son oscilatorios con un tiempo de subida hasta el valor pico Tf inferior a 0,1 µs, una duración total inferior a 3 ms, y con oscilaciones superpuestas de frecuencias comprendidas entre 30 kHz y 100 MHz. El cálculo de los sobrevoltajes debe realizarse teniendo en cuenta la configuración del aislamiento de los equipos involucrados, es decir tomando en cuenta a todos los elementos que influyen en el comportamiento dieléctrico que pueden resultar.

(16) 6 dañados o afectados por un determinado sobrevoltaje. Según la IEC 60071-1, se deben distinguir las siguientes configuraciones de aislamiento: a) Trifásica: la que tiene tres bornes de fase, un borne de neutro y un borne de tierra. b) Fase-tierra: configuración trifásica en la que no se toma en cuenta los bornes de dos fases, y en la que el borne de neutro está generalmente conectado a tierra. c) Fase-fase: configuración trifásica en la que no se considera un borne de fase. En algunos casos tampoco se consideran los bornes de neutro y de tierra. d) Longitudinal: configuración con dos bornes de fase y uno de tierra. Los bornes de fase pertenecen a la misma fase de una red trifásica, separada temporalmente en dos partes independientes bajo voltaje. Los cuatro bornes de las otras dos fases no se tienen en cuenta o están conectados a tierra. 1.1.2.1 Formas de Onda Normalizada Con el objetivo de verificar en el laboratorio el comportamiento de los aislamientos frente a los diferentes tipos de sobrevoltajes se han establecido según la IEC 60071-1 las siguientes formas de onda normalizada: a) Voltaje normalizado de corta duración a frecuencia industrial: es un voltaje sinusoidal, de frecuencia comprendida entre 48 y 62 Hz, y una duración igual a 60 segundos. b) Impulso de voltaje tipo maniobra normalizado: es un impulso de voltaje con un tiempo de subida hasta el valor pico de 250 µs y un tiempo de cola hasta el 50% del valor pico de 2.500 µs. c) Impulso de voltaje tipo rayo normalizado: es un impulso de voltaje con un tiempo de subida hasta el valor pico de 1,2 µs y un tiempo de cola hasta el 50% del valor pico de 50 µs. d) Impulso de voltaje tipo maniobra combinado normalizado: es un impulso de voltaje combinado que tiene dos componentes del mismo valor pico y polaridad opuesta, la componente positiva es un impulso de maniobra normalizado, mientras que la componente negativa es un impulso de maniobra cuyos tiempos de subida y de cola no deberían ser inferiores a los.

(17) 7 del impulso positivo. Ambos impulsos deberían alcanzar el valor pico en el mismo instante. El valor pico del voltaje combinado es, por tanto, la suma de los valores pico de los componentes. Para establecer una relación entre los sobrevoltajes reales y las formas de onda normalizadas se definen los sobrevoltajes representativos, que son aquellos sobrevoltajes que se suponen producen el mismo efecto sobre el aislamiento que los sobrevoltajes de una determinada clase que aparecen en servicio. Tienen la forma de onda normalizada de la clase correspondiente y pueden ser definidos por un valor, un conjunto de valores o una distribución estadística de valores..

(18) Tabla 1.1 Clase es y formas de sob brevoltajes, forma as de onda norma alizadas y ensayos s de voltaje tolera able normalizado [3].. 8.

(19) 9. 1.1.3 AISLAMIENTO ELÉCTRICO 1.1.3.1 Clasificación y comportamiento del aislamiento De acuerdo con la finalidad a la que se destina el aislamiento se lo clasifica como apto para uso externo o para el uso interno ya sea que se los utilice en instalaciones sujetas a agentes externos tales como: humedad, contaminación, intemperie, o que estén protegidos de las solicitaciones ambientales mediante una o varias envolventes. Además de esa clasificación existe otra de mayor importancia desde el punto de vista del aislamiento, que es aquella que diferencia a los aislamientos entre autoregenerativos y no regenerativos. Los aislamientos autoregenerativos son aquellos que tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica después de ocurrida una descarga (ruptura dieléctrica) causada por la aplicación de un sobrevoltaje. En una subestación, los aislamientos autoregenerativos de los componentes pueden ser clasificados en dos grupos dependiendo del tipo de utilización. El primer grupo es el de los aislamientos de los equipamientos tales como: parte externa de los aisladores de los transformadores de potencia, reactores y transformadores de medición y la parte externa de los equipamientos de maniobra y de medición (disyuntores, seccionadores y divisores capacitivos de voltaje). Las partes internas de estos equipamientos son de tipo no regenerativo y por lo tanto los equipamientos citados anteriormente poseen ambos tipos de aislamientos. El segundo grupo de aislamientos es el que se refiere solamente a instalaciones propiamente dichas. En este grupo están incluidos los aislamientos en aire, correspondientes a la distancia. conductor–estructura,. barras–estructura,. parte. con. voltaje. del. equipamiento–estructura y conductor–conductor, los soportes aisladores, las cadenas de aisladores y las columnas aislantes de las bobinas de bloqueo. Todos estos son regenerativos. Los aislamientos no regenerativos son aquellos que no tienen capacidad de recuperación de su rigidez dieléctrica, después de la ocurrencia de una descarga causada por la aplicación de un sobrevoltaje. Los aislamientos líquidos y gaseosos son de características autorregenerables mientras que los aislamientos sólidos son del tipo no autorregenerable..

(20) 10 La rigidez dieléctrica de un aislamiento depende de la forma de onda de voltaje aplicada (pendiente del frente, valor pico, pendiente de cola), de la polaridad y en el caso del aislamiento externo de las condiciones ambientales. Además, cabe citar que la descarga disruptiva de un aislamiento es un fenómeno de naturaleza estadística debido a que un mismo aislamiento puede aguantar unas cuantas veces y fallar en otras veces cuando es sometido de forma repetitiva a la misma onda de voltaje manteniendo constantes la polaridad y las condiciones ambientales. 1.1.3.2 Comportamiento del aislamiento eléctrico La Figura 1.2 es una curva voltaje-tiempo que ilustra el comportamiento del aislamiento eléctrico frente a diferentes tipos de sobrevoltajes. Una curva voltaje-tiempo relaciona el voltaje aplicado con el tiempo que tarda el aislamiento en contornear. Este tipo de curva depende de la polaridad y de la forma de onda del voltaje aplicado. Además también hay que tener en cuenta las condiciones ambientales (humedad, presión, contaminación).. Figura 1.2 Curva voltaje-tiempo [2].. 1.1.3.3 Especificación del aislamiento eléctrico La rigidez dieléctrica de un aislamiento se puede describir mediante el nivel de aislamiento. normalizado. que. es. un. conjunto. de. voltajes. tolerables. normalizados asociados al voltaje más elevado en régimen permanente Um, al que será sometido el equipo eléctrico:.

(21) 11 · A los voltajes de la gama I (1 kV ≤Um ≤245 kV) se asocian el voltaje tolerable normalizado de corta duración a frecuencia industrial medido en kV eficaces y el voltaje tolerable normalizado a impulsos tipo rayo medido en kV pico. · A los voltajes de la gama II (245 kV <Um) se asocian el voltaje tolerable normalizado a impulsos tipo maniobra y el voltaje tolerable normalizado a impulsos tipo rayo, ambos medidos en kV pico. 1.1.4 PROTECCIÓN CONTRA SOBREVOLTAJES Los principios en los que se basan los dispositivos de protección contra sobrevoltajes son básicamente dos: limitar los sobrevoltajes que se puedan originar y prevenir la aparición de sobrevoltajes. El dispositivo empleado en la limitación de sobrevoltajes tanto de origen interno (originados por maniobras) como de origen externo (causados por rayos) es el apartarrayos, conocido en nuestro medio también como pararrayos. El apartarrayos más utilizado en la actualidad es el de óxido metálico que se comporta como una resistencia no lineal y cuyo valor de resistencia es muy elevado cuando el voltaje entre sus bornes terminales es inferior al voltaje residual pero que se reduce drásticamente cuando el voltaje entre terminales tiende a superar el valor residual. 1.1.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO Los objetivos de la coordinación de aislamiento son: i) la selección de un conjunto de voltajes tolerables normalizados de los equipos, ii) la determinación de las distancias en el aire de forma que los equipos puedan soportar las solicitaciones dieléctricas a las que serán sometidos y iii) la selección de los dispositivos de protección de acuerdo a los siguientes principios: ·. Limitar los sobrevoltajes que se pueden originar en la instalación. ·. Prevenir la aparición de sobrevoltajes.. Un procedimiento de coordinación de aislamiento debe tener en cuenta los factores que influyen en el aguante o tolerancia del aislamiento: i) la polaridad de los sobrevoltajes, ii) la forma de las ondas de sobrevoltaje, iii) el tipo de.

(22) 12 aislamiento, iv) las condiciones atmosféricas (en caso de aislamiento externo) y v) el estado físico de los equipos. El procedimiento propuesto en la norma IEC 60071-2 consiste en seleccionar el nivel de aislamiento normalizado y determinar las distancias en el aire a partir de los voltajes (o sobrevoltajes) representativos y de los factores que influyen en el aguante del aislamiento. 1.1.5.1 Métodos de coordinación de aislamiento Se pueden distinguir dos métodos de coordinación de aislamiento uno determinista y uno estadístico; y la aplicación de uno u otro método dependerá de la información disponible sobre el sistema o instalación a estudiar y de los datos que son posibles de estimar de los voltajes representativos, es decir, la selección de cualquiera de estos métodos estará sujeta al nivel de voltaje de la subestación y la precisión con la que se desee proteger la instalación, así por ejemplo, en el caso de los sistemas cuyo voltaje máximo de operación se encuentra en el rango de 1 kV ≤ Um ≤ 245 kV, puede utilizarse el método determinista de coordinación de aislamiento puesto que en esta gama de voltajes no se requiere de un alto grado de precisión para la elección del nivel de aislamiento, no obstante, el tipo de instalación a proteger también juega un papel fundamental en cuanto al método a elegirse, ya que si por ejemplo se desea proteger a una subestación de elevación asociada a una central nuclear se tendrá que recurrir a un elevado grado de precisión, es decir un método probabilístico, para evitar problemas de seguridad adicionales. Como conocimiento adicional hay que resaltar que los sobrevoltajes que se originan en una red eléctrica de alto voltaje tienen una conducta estadística y se suelen caracterizar mediante funciones de densidad probabilidad, de la misma forma sucede con el comportamiento del aislamiento bajo solicitaciones normalizadas ya que también se lo puede caracterizar mediante una distribución estadística. La función de distribución que más se ajusta a la conducta del aislamiento es la función Normal o de Gauss, que para estos fines se la utiliza como una función de distribución acumulada, es decir, la probabilidad de que el aislamiento falle cuando el valor pico de la onda de voltaje normalizado que se.

(23) 13 aplica supera un determinado valor. Se suele emplear esta forma de caracterizar el aislamiento cuando éste es autorregenerable, mientras que para aislamiento no autorregenerable se suele suponer un único valor frontera, que separa la zona de falla de la zona de supervivencia [2]. El método de coordinación estadístico se puede aplicar cuando es posible obtener la función de densidad de probabilidad de los sobrevoltajes representativos que serán empleados en la selección del aislamiento. A partir de la distribución estadística de los sobrevoltajes y de la función de probabilidad de falla del aislamiento, es posible obtener el riesgo o frecuencia de falla de un equipo frente a un determinado tipo de solicitación dieléctrica. Esto permite seleccionar y dimensionar el aislamiento de forma que la frecuencia de falla se halle dentro de los límites aceptables. El método determinista, también conocido como convencional, se aplica cuando no es posible conocer la distribución estadística de los sobrevoltajes. Con este método, la selección del aislamiento se puede realizar de forma que este soporte el máximo sobrevoltaje representativo que se puede originar. 1.1.5.2 Procedimiento general El diagrama de la Figura 1.3 muestra los pasos a realizar en el procedimiento de coordinación de aislamiento propuesto por la IEC 60071-1, cuyos aspectos más importantes se destacan a continuación: 1. El primer paso a realizar es la estimación del voltaje representativo en los equipos o en la instalación a diseñar, teniendo en cuenta los niveles de protección proporcionados por los dispositivos de protección instalados y el valor máximo del voltaje de operación: · para instalaciones de gama I se analizan los sobrevoltajes temporales y los de origen atmosférico. · para instalaciones de gama II se analizan los sobrevoltajes de frente lento y los de origen atmosférico. 2. Se determina el voltaje tolerable de coordinación, que es el voltaje tolerable que cumple los criterios de diseño en las condiciones de servicio en que funcionarán los equipos o la instalación. La selección del voltaje tolerable de.

(24) 14 coordinación se basa, por tanto, en la tasa de riesgo aceptada y su cálculo se realizará multiplicando el voltaje representativo por el factor de coordinación,. Kc,. cuyo. valor. depende. del. tipo. de. aislamiento. (autorregenerable, no autorregenerable) y del método de coordinación de aislamiento (determinista, estadístico) que es posible aplicar. 3. El voltaje tolerable de coordinación se convierte en el voltaje tolerable especificado o requerido, que es el voltaje normalizado de ensayo que el aislamiento debe soportar para asegurar que cumplirá con el criterio de diseño. El voltaje tolerable especificado se obtiene multiplicando el voltaje tolerable de coordinación por un factor de seguridad Ks, que compensa las diferencias entre las condiciones reales de servicio y las de ensayo a voltajes tolerables normalizados. En el caso de aislamiento externo también se aplicará un factor de corrección atmosférico Ka, que tenga en cuenta las diferencias entre las condiciones ambientales de servicio y las normalizadas. 4. Se selecciona el conjunto de voltajes tolerables normalizados que satisfacen los voltajes tolerables especificados. El voltaje tolerable normalizado es el voltaje aplicado en un ensayo de voltaje normalizado y su selección permite justificar que el aislamiento aguantará los voltajes tolerables especificados que fueron estimados en el paso anterior. El voltaje tolerable normalizado puede elegirse para la misma forma de onda normalizada que el voltaje tolerable especificado (continuo, tipo maniobra, tipo rayo) o para una forma de onda distinta mediante la aplicación del factor de conversión de ensayo Kt. 5. Finalmente, se selecciona el nivel de aislamiento normalizado es decir el nivel de aislamiento asignado cuyos voltajes tolerables normalizados están asociados al voltaje de operación más elevado según la clasificación de la CEI..

(25) 15. Análisis del sistema Cálculo del voltaje representativo Urp. Cálculo del voltaje tolerable de coordinación Uwc (Factor de coordinación Kc). Cálculo del voltaje tolerable requerido Urw (Factores de seguridad Ks y de corrección atmosférica Ka). Selección del voltaje tolerable normalizado Uw (Factor de conversión de ensayo Kt). Selección del nivel de aislamiento normalizado (conjunto de valores Uw) y cálculo de distancias en el aire. Figura 1.3 Procedimiento general de coordinación de aislamiento [3].. 1.2 OBJETIVOS 1.2.1 OBJETIVO GENERAL Verificar la calidad de la coordinación de aislamiento existente en la subestación Cotocollao de la Empresa Eléctrica Quito S.A. incluyendo el nivel de protección de los dispositivos de protección contra sobrevoltajes. 1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS · Determinar los sobrevoltajes esperados en la subestación con el programa ATP. · Seleccionar el nivel de aislamiento normalizado para todos los equipos que conforman las subestación y compararlo con la magnitud de nivel básico de aislamiento (BIL) que actualmente caracteriza a cada componente de la instalación. · Determinar el nivel de protección óptima y cotejar con los apartarrayos existentes..

(26) 16 · Calcular las distancias mínimas de aislamiento y las de seguridad de la subestación y compararlas con los valores existentes según los planos de la subestación. · Realizar sugerencias para mejorar el aislamiento de la subestación y su protección en caso necesario.. 1.3 ALCANCE El presente estudio está dirigido a verificar el estado actual de la coordinación de aislamiento y sus protecciones contra sobrevoltajes en la subestación ya mencionada del SEQ, para lo cual se hará una revisión de conceptos, normas y guías de aplicación relacionadas con la selección y de coordinación de aislamiento, adicionalmente se evaluarán los sobrevoltajes y el funcionamiento de los apartarrayos con el programa ATP.. 1.4 JUSTIFICACION DEL PROYECTO Las redes e instalaciones eléctricas pueden estar sometidas a sobrevoltajes que afecten a su aislamiento y causen fallas o averías. Los sobrevoltajes son solicitaciones variables en el tiempo cuya magnitud es mayor al valor pico de voltaje nominal del sistema en el que se origina. Los sobrevoltajes se producen como consecuencia de fallas, maniobras y descargas atmosféricas y su estudio es parte fundamental para determinar tanto el nivel de aislamiento con el que se deben seleccionar los distintos componentes de un sistema como los medios o dispositivos de protección que son necesarios instalar. La Coordinación de Aislamiento trata sobre estos temas y de cómo proceder en la selección del aislamiento teniendo en cuenta factores de tipo atmosférico o de carácter aleatorio de los valores que pueden alcanzar las sobretensiones y del comportamiento de los aislamientos. Bajo este contexto, la Empresa Eléctrica Quito S.A, plantea la necesidad de hacer un estudio de coordinación de aislamiento para estimar el estado actual de sus subestaciones y verificar la validez en la caracterización del aislamiento en cada una de sus instalaciones, todo esto con la meta de evitar daños futuros en el aislamiento de los equipos y reducir interrupciones en el servicio..

(27) 17. CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO 2.1 SOBREVOLTAJES Se conoce como sobrevoltaje a cualquier voltaje función del tiempo entre una fase y tierra o entre fases que tenga un valor pico o valores que excedan al valor pico correspondiente derivado del máximo de un equipo. El voltaje máximo de un equipo Um, es el más alto voltaje eficaz fase-fase para el cual se diseña la aislación del equipo, así como otras características correlacionadas. Este valor será al menos igual al voltaje máximo de un sistema en el que pueda usarse el equipo [4]. 2.1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS SOBREVOLTAJES La Figura 2.1 muestra un esquema resumen de la información de la sección 1.1.2 relacionada con la clasificación de los sobrevoltajes:. Según su origen. · · ·. Frecuencia Industrial Maniobras Descargas Atmosféricas. CLASIFICACIÓN DE LOS SOBREVOLTAJES. Según las características del proceso transitorio. · · · ·. Temporales Frente lento Frente Rápido Frente muy Rápido. Figura 2.1 Esquema de clasificación de los sobrevoltajes. Elaboración Propia. A continuación se explicarán los cuatro tipos de sobrevoltajes en los que se suelen clasificar las solicitaciones a las que están sometidos el aislamiento de las instalaciones y de los equipos..

(28) 18 2.1.1.1 Sobrevoltajes Temporales Los sobrevoltajes temporales reales son de larga duración (entre 20 milisegundos hasta varios segundos), son poco amortiguados, tienen frecuencia igual o parecida a la de operación y son de menor amplitud que los otros tipos de sobrevoltajes. Para propósitos de coordinación de aislamiento se considera que el sobrevoltaje temporal representativo tiene una forma de onda normalizada con un tiempo de aplicación de corta duración (1 minuto) a frecuencia industrial. Los sobrevoltajes temporales o sostenidos suelen ser de origen interno y pueden ser originadas por: fallas a tierra, pérdida súbita de carga, resonancia, ferroresonancia o una combinación de dos o más causas. 2.1.1.1.1 Fallas a tierra Una de las causas más comunes de sobrevoltajes temporales en un sistema es el cortocircuito monofásico a tierra, siendo menos probables las fallas bifásicas o trifásicas a tierra [2]. Cuando se produce una falla se origina inicialmente un fenómeno transitorio que desemboca en un sobrevoltaje a una frecuencia distinta a la de operación y cuando desaparece el sistema regresa a su estado normal. Para un estudio de sobrevoltajes causados por fallas es suficiente tratar el caso de una falla monofásica por ser la más recurrente en los sistemas eléctricos y la que produce normalmente los mayores sobrevoltajes [2]. La Figura 2.2 muestra un ejemplo de una falla a tierra en una red con neutro aislado..

(29) 19. Figura 2.2 Cortocircuito monofásico a tierra en una red con neutro aislado [2].. Para determinar el valor de este tipo de sobrevoltajes se define al factor de falla a tierra k, como la relación entre el voltaje eficaz máximo entre fase y tierra en una fase sana durante una falla a tierra y el voltaje eficaz entre fase y tierra en esa misma ubicación en ausencia de la falla. El factor de falla a tierra depende a su vez de las características del sistema y sobre todo del tipo de conexión a tierra del neutro. La Tabla 2.1 presenta los valores representativos del factor de falla a tierra en función del tipo de puesta a tierra presente en el sistema en donde ocurre la falla. Conexión del neutro. k. Neutro sólidamente puesto a tierra. 1.4. Neutro no sólidamente puesto a tierra. 1.7. Neutro aislado. 1.9. Tabla 2.1 Valores representativos del factor de falla a tierra [2].. El factor de falla a tierra se puede determinar en función de las impedancias de secuencia positiva (Z1 = R1 + jX1) y secuencia cero (Z0 = R0 + jX0) del sistema y tomando en cuenta la resistencia de falla R. La Figura 2.3, según la norma IEC 71-2, muestra los valores de k en función de las relaciones de X0/X1y R0/X1 y en ella se puede identificar tres rangos de factores de falla a tierra, de acuerdo con los valores de la relación X0/X1, y de la característica de conexión a tierra del sistema, así: · El rango de valores altos de X0/X1, positivos o negativos, se aplica para sistemas con conexión a tierra resonante o con neutro aislado..

(30) 20 · El rango de valores positivos y bajos de X0/X1 es válido para sistemas con el neutro conectado a tierra. · El rango de valores negativos y bajos de X0/X1, que corresponde a la zona sombreada en la figura, no es conveniente para aplicaciones prácticas debido a condiciones resonantes.. Figura 2.3 Factor de falla a tierra con la condición R1<<X1, en base de X0/X1 para R1/X1=R=0 [5].. Las siguientes figuras muestran el factor de falla a tierra como una familia de curvas aplicable para cualquier valor de R1/X1. Las curvas están divididas en tres zonas que muestran las condiciones más críticas, así: ____. El Máximo voltaje ocurre en la fase en adelanto a la fase con falla. …….. El Máximo voltaje ocurre en la fase en retraso a la fase con falla. ∙−∙−∙− ∙ El Máximo voltaje ocurre en las fases sin falla. Figura 2.4 Relación entre R0/X1 y X0/X1 para valores constantes del factor de falla a tierra k cuando R1=0 [5]..

(31) 21. Figura 2.5 Relación entre R0/X1 y X0/X1 para valores constantes del factor de falla a tierra k cuando R1=0,5X1 [5].. Figura 2.6 Relación entre R0/X1 y X0/X1 para valores constantes del factor de falla a tierra k cuando R1=X1 [5].. Figura 2.7 Relación entre R0/X1 y X0/X1 para valores constantes del factor de falla a tierra k cuando R1=2X1 [5].. Usando el factor de falla a tierra para determinar el voltaje pico en la fase sana se tiene:.

(32) 22. k. 2 Us 3. Ecuación 2.1. [2]. donde: Us es el voltaje eficaz de servicio fase-fase en el momento que ocurre la falla. 2.1.1.1.2 Pérdida Súbita de Carga La desconexión repentina de cargas considerables puede ser producida por el accionamiento de disyuntores, errores humanos o por condiciones de sobrecarga. La consecuencia de la pérdida de carga es el aumento de voltaje en la red debido a la disminución de la caída de voltaje en la impedancia de la carga. La magnitud del sobrevoltaje dependerá de la longitud de la línea, de la impedancia de la fuente, de la impedancia de la carga desconectada y de la configuración de la red después de la desconexión. Este tipo de sobrevoltaje puede ser más representativo en líneas largas debido al efecto Ferranti que se puede presentar en el extremo final. El efecto Ferranti es un sobrevoltaje producido por el efecto capacitivo en una línea larga de transmisión que ocurre cuando la línea está desconectada de la carga o bien con una carga muy pequeña. El efecto Ferranti será más acentuado cuanto más larga sea la línea y mayor el voltaje aplicado. Como dato adicional hay que resaltar que el sobrevoltaje por efecto Ferranti es proporcional al cuadrado de la longitud de la línea. 2.1.1.1.3 Resonancia Se pueden ocasionar sobrevoltajes temporales cuando se conectan o desconectan cargas en redes que incorporan elementos capacitivos (líneas, líneas compensadas en serie) o inductivos (transformadores, reactancias paralelo) que tienen características de magnetización no lineales. Para entender mejor este fenómeno se analizará el circuito de la Figura 2.8 que se trata de un circuito LC sin amortiguamiento (R=0) alimentado por una fuente de corriente alterna cuya frecuencia puede ser regulable..

(33) 23. Figura 2.8 Circuito LC serie lineal [2].. El circuito tendrá las siguientes ecuaciones:. I=. UL = jXLI. Ecuación 2.2a. [2]. UC = jXCI. Ecuación 2.2b. [2]. E = UL + UC = j ( XL - XC )I. Ecuación 2.2c. [2]. Ecuación 2.2d. [2]. Ecuación 2.2e. [2]. Ecuación 2.2f. [2]. EwC E E = = 1 ö j w 2LC - 1 æ j ( XC + X L ) j ç wL ÷ wC ø è. (. UC = - jXC. UC =. ). EwC j w 2LC - 1. (. ). E. (1 - w LC ) 2. De la Ecuación 2.2f se puede ver que el voltaje en el capacitor depende de la frecuencia de la fuente y además se observa que existe un valor de frecuencia para el cual el denominador se anula y el voltaje puede alcanzar un valor infinito. La frecuencia a la que ocurre el fenómeno es:. wr =. 1 LC. Ecuación 2.2g. [2]. Entonces cuando ω a tiende a ωr, el valor del denominador tiende a anularse y la corriente tiende al infinito. Ver Figura 2.9..

(34) 24. Figura 2.9 Frecuencia de resonancia en un circuito LC serie lineal [2].. 2.1.1.1.4 Ferroresonancia Es un tipo de resonancia causada por la asociación serie de un capacitor y una reactancia inductiva saturable en redes con amortiguamiento muy débil. Ejemplos de resonancia: · Entre la reactancia inductiva de los transformadores de potencial y la capacitancia entre los arrollamientos de un transformador de distribución. · En sistemas que tienen elementos saturables y filtros de armónicos. La Figura 2.10 presenta tres ejemplos de ferroresonancia en una red trifásica con disyuntores monofásicos. El sistema consiste en: tres capacitores en estrella en paralelo con un transformador en vacío cuyo primario también está en estrella. Los capacitores pueden ser los de un cable aislado que conecta la fuente con el transformador o los de un banco de capacitores. Con el transformador en vacío, la representación por fase se puede reducir a la inductancia de magnetización Lm. Si una o dos fases del sistema están abiertas y el banco de capacitores o el transformador tienen neutro a tierra se puede cerrar el circuito LC en serie a través de los capacitores y las inductancias saturables, tal como se muestra en la figura. Si ambos neutros están aislados o puestos a tierra entonces no es posible formar el circuito LC y no existen las condiciones propicias para la ferroresonancia. Dependiendo de la configuración del núcleo del transformador, puede originarse ferroresonancia incluso si no es evidente el circuito serie LC formado a través de.

(35) 25 un capacitor y una inductancia saturable. Esto es posible con transformadores de núcleo trifásico que presentan acoplamiento entre fases donde pueden aparecer voltajes inducidos en una fase abierta. Supóngase que una de las tres fases está abierta y el transformador es de núcleo trifásico con tres o cinco columnas. Desde la fuente sólo circulará corriente por las dos fases cerradas. Sin embargo, debido al acoplamiento magnético entre fases que existe en el núcleo del transformador aparecerá un voltaje entre los terminales del transformador correspondientes a la fase abierta. Un problema de ferroresonancia ocurrirá muy raramente cuanto las tres fases están energizadas, pero es probable cuando una o dos fases se encuentran abiertas. Este tipo de situaciones se presentan en redes con protecciones monofásicas.. Figura 2.10 Ejemplos de condiciones ferroresonantes en redes trifásicas [2]..

(36) 26. 2.1.1.1.5 Sobrevoltajes longitudinales durante la sincronización Cuando se tienen dos redes eléctricas no sincronizadas, con un disyuntor abierto entre ellas, aparecen diferencias de potencial entre los contactos del disyuntor, que en la peor de las condiciones pueden presentar un valor del doble del voltaje fase-tierra, este fenómeno ocurre cuando existe oposición de las fases. Para esta situación. se. supone. que. los. sobrevoltajes. temporales. longitudinales. representativos tienen una amplitud igual a dos veces el voltaje de servicio fasetierra y una duración de varios segundos hasta pocos minutos. Si se tienen constantes maniobras de sincronización hay que considerar que existe una alta probabilidad de que ocurran fallas a tierra en unos de los lados del disyuntor, en ese caso, la amplitud del sobrevoltaje representativo estará compuesto por la suma del máximo sobrevoltaje previsto en uno de los terminales del disyuntor más el voltaje permanente de servicio en oposición de fase del otro terminal. 2.1.1.1.6 Combinación de causas de sobrevoltajes temporales Un escenario muy frecuente en los sistemas eléctricos es la aparición de sobrevoltajes temporales combinados, así por ejemplo está el caso de la aparición simultánea de fallas en el sistema y la desconexión de cargas. Este proceso ocurre cuando se suscita una falla en una línea de la red y en lugar de abrir el disyuntor de cabecera de la línea se produce la apertura del disyuntor de la carga, originando un sobrevoltaje por pérdida de carga en la parte de la red con defecto hasta que se abra el disyuntor de cabecera. Otra combinación resulta de la desconexión de una carga considerable que produce un sobrevoltaje que provoca una falla en el resto de la red. Como información complementaria hay que resaltar que las causas de los sobrevoltajes temporales pueden ser tratadas como una combinación solo después de examinar cuidadosamente la probabilidad simultánea de ocurrencia de los fenómenos..

(37) 27. 2.1.1.1.7 Limitación de los sobrevoltajes temporales · En el caso de fallas a tierra, la mejor opción surge durante el diseño de la red, etapa en la cual se pueden controlar los parámetros del sistema y con ello el factor de falla a tierra. · Evitar que el circuito resultante durante o después de una maniobra llegue a encontrarse en condiciones de resonancia o de ferroresonancia, esto se realiza incluyendo resistencias de amortiguamiento en la red. · Los sobrevoltajes originados por desconexiones de carga se pueden mitigar a través de la conexión de elementos de compensación de líneas, como por ejemplo: capacitores serie, inductancias en paralelo o compensadores estáticos. 2.1.1.2 Sobrevoltajes de Frente Lento Son de naturaleza oscilatoria, de corta duración y fuertemente amortiguados con frentes de onda y tiempos de cola que van desde varios cientos de microsegundos hasta varios milisegundos y cuya frecuencia varía entre 2 y 20 MHz. La forma de onda de voltaje representativo es la de impulso de maniobra normalizado (tiempo al pico de 250µs y tiempo al valor medio de la cola de 2500µs). Son causados por: conexión y re-conexión de líneas, fallas y despeje de fallas, pérdida de carga, maniobras con cargas capacitivas e inductivas y descargas atmosféricas en puntos alejados de la red aérea. 2.1.1.2.1 Conexión y reconexión de líneas La conexión y reconexión de una línea trifásica puede producir sobrevoltajes de maniobra en cualquiera de las tres fases de la línea aunque no en todas de manera simultánea, por lo tanto cada maniobra produce tres sobrevoltajes fasetierra y los correspondientes sobrevoltajes fase-fase. La amplitud de este tipo de sobrevoltaje dependerá de algunos factores entre los que cuentan: · El tipo de disyuntor (con resistencia de preinserción o sin ella) · La naturaleza de la alimentación (simple o mallada).

(38) 28 · La potencia de cortocircuito de las barras a partir de las cuales se conecta la línea. · El medio de compensación usado en la línea, la longitud y las condiciones en el extremo remoto de la línea. A continuación se explicará cómo se producen los sobrevoltajes en la conexión y reconexión de líneas. Conexión: Cuando se energiza una línea en vacío, el sobrevoltaje se produce debido a la no coincidencia simultánea en el cierre de los contactos, de manera que al cerrar la primera fase se producen por inducción ondas de voltaje en las dos fases restantes, estas ondas viajan a través de la línea hasta que se reflejan en la impedancia de circuito abierto, si la línea tiene pérdidas, el fenómeno se amortigua hasta que después de unas cuantas oscilaciones en el extremo receptor llega al valor del voltaje de la fuente. Reconexión: La finalidad de la reconexión de una línea es la de eliminar fallas transitorias y por esa razón está vinculada con maniobras de apertura y cierre de los disyuntores de la línea. En la desconexión de una línea en vacío, se notará que el voltaje en los terminales será el máximo debido al efecto capacitivo del modelo pi de la línea, dando como resultado que en las tres fases se presente un sobrevoltaje de valor igual al pico del voltaje fase-tierra de la fuente de alimentación. Esta maniobra genera un fenómeno denominado carga atrapada que permanecerá en la línea por largos períodos de tiempo (en el orden de los minutos) a no ser que sea eliminada por medio de inductores o transformadores de potencial inductivos. Una vez concluida la apertura de la línea se procede a realizar el recierre para restablecer el sistema. En el recierre se pueden generar sobrevoltajes debido a que el reenganche de la línea ocurre antes de haber drenado la carga residual o cuando los terminales del disyuntor cierran en el instante en que la onda de voltaje del sistema está en polaridad opuesta a la de la línea, por la primera razón es importante diferenciar los tiempos de recierre con el tiempo que toma la evacuación de la carga atrapada, una manera de acortar los tiempos de liberación de carga atrapada es mediante el uso de reactores o resistencias de preinserción en los disyuntores..

(39) 29 En sistemas normales el recierre monofásico no genera sobrevoltajes más altos que en la conexión, sin embargo para las líneas en las cuales pueden ser importantes los efectos de resonancia o Ferranti el reenganche monofásico es en magnitud mayor que en la energización. En recierres trifásicos los sobrevoltajes son mayores porque existe una mayor carga atrapada en línea. 2.1.1.2.2 Aparición y eliminación de fallas Los sobrevoltajes de frente lento son ocasionados tanto por la aparición de fallas como con su despeje. Con la aparición de una falla se produce un cambio en las condiciones de operación del sistema al pasar del voltaje de servicio permanente a un sobrevoltaje temporal en las fases sanas mientras que con la desaparición de la falla se provoca el regreso desde un valor de voltaje próximo a cero hasta el voltaje de servicio permanente en la fase que presentó la falla. Generalmente ambas situaciones ocasionan sobrevoltajes entre fase-tierra, siendo los sobrevoltajes entre fases despreciables. 2.1.1.2.3 Pérdida de carga Los sobrevoltajes de frente lento debidos a la pérdida súbita de carga son sólo de importancia en la gama II, para los cuales los sobrevoltajes causados por la conexión y recierre de líneas son limitados a valores de 2 p.u, en esos casos se necesita un examen, especialmente si hay involucrados transformadores a la salida del generador o líneas de transporte muy largas. 2.1.1.2.4 Maniobras con cargas inductivas o capacitivas Las maniobras a tomar en cuenta son: ·. Interrupción de corrientes de arranque de motores.. ·. Interrupción de corrientes inductivas, por ejemplo la interrupción de la corriente de magnetización de un transformador o la corriente de una reactancia paralela.. ·. Maniobras con líneas en vacío y banco de capacitores.. ·. Interrupción de corrientes por fusibles de alto voltaje.. ·. Maniobra y funcionamiento de hornos de arco y sus transformadores..

(40) 30 Este tipo de maniobras pueden originar sobrevoltajes cuya magnitud aumenta con el nivel de voltaje del sistema y pueden ser desarrollados durante maniobras en circuitos que contienen inductancias o capacitancias, particularmente si se produce el fenómeno de reencendido del arco entre los contactos del disyuntor. Generalmente, este tipo de fenómeno implica un almacenamiento de energía en las inductancias y capacitancias, con un intercambio entre ambos elementos. A continuación se analizarán las maniobras en circuitos capacitivos e inductivos. Circuitos Capacitivos: Para poder entender el fenómeno se considerará el circuito de la Figura 2.11a que implica una carga capacitiva alimentada a través de una fuente inductiva que tiene una corriente que está adelantada 90º en relación con el voltaje.. Figura 2.11 Interrupción de una corriente capacitiva. a) Circuito Capacitivo. b) Formas de onda de voltaje y corriente [6].. El proceso inicia cuando los contactos del disyuntor se abren en torno al punto 1 de la Figura 2.11b y se establece un arco entre esos contactos y la corriente continua fluyendo antes de pasar por cero. En el punto 2, cuando la corriente es efectivamente interrumpida, ocurre una pequeña oscilación de voltaje debido a la nivelación de la energía entre la inductancia de la fuente L y las capacitancias.

(41) 31 parásitas C1. En este momento no ocurre el reencendido del arco porque el voltaje a través del disyuntor U2-U1 es mucho más pequeño, de tal manera que el capacitor permanece cargado con el voltaje máximo de la fuente, o sea a +1 p.u. Cuando el voltaje de la fuente cambia de polaridad, el voltaje de restablecimiento U2-U1 del disyuntor aumenta y cuando aquel voltaje alcanza la mitad del ciclo, o sea -1 p.u, el voltaje de restablecimiento a su vez alcanza aproximadamente el valor de 2 p.u. y si el disyuntor no ha obtenido la suficiente rigidez dieléctrica para soportar un voltaje a través de sus contactos ocurrirá entonces un reencendido conforme indica el punto 3. Cuando el voltaje en el capacitor alcanza su máximo (punto 4), la corriente de descarga transitoria está pasando por cero y el arco se extingue nuevamente dejando al capacitor cargado con un voltaje más alto. Teóricamente el capacitor podría estar cargado a -3 p.u. En la Figura 2.11b el proceso se detiene en el punto 4, pero un segundo reencendido podría ocurrir medio ciclo después cuando el voltaje a través de los contactos del disyuntor llegue a +4 p.u. Este reencendido podría continuar indefinidamente, más en la práctica, las pérdidas, las capacitancias parásitas y probablemente una falla en el aislamiento limitan este sobrevoltaje. Es interesante enfatizar que este proceso puede darse siempre y cuando las corrientes capacitivas sean resultado de maniobras como por ejemplo a la abertura de una línea de transmisión, de un cable o de bancos de capacitores. En sistemas trifásicos el fenómeno es más complejo, particularmente si los terminales del disyuntor no operan al mismo tiempo. La abertura de la primera fase acarreará una elevación de voltaje provocado por el acoplamiento cuando las otras fases aún continúan energizadas y el sobrevoltaje obtenido dependerá de la relaciónC1 /C0 siendo el peor de los casos el sobrevoltaje que ocurre solamente cuando una fase permanece abierta. La Figura 2.12 muestra la magnitud de los voltajes en régimen permanente asumiendo que ningún reencendido ha ocurrido..

(42) 32. Figura 2.12 Voltaje a Tierra en la primera fase a abrir. a) Circuito Trifásico. b) Curva de voltaje [6].. Circuitos Inductivos: La Figura 2.13 muestra un circuito con una inductancia L2 en paralelo con una capacitancia C2. En este caso ωL<<1/ωC y la corriente que circula a través de L2 será la predominante y estará atrasada al voltaje 90º. Se supone que el valor de la inductancia Lf es menor que la L2 y que los contactos del disyuntor están abiertos antes del instante t, consecuentemente, la corriente I será conducida a través del arco establecido entre los contactos. Cuando la corriente pasa por cero, el arco se extingue y como el circuito es inductivo, esto ocurre cuando U1 y U2 están en sus máximos. En este caso si el arco se extingue habrá una nueva oscilación del voltaje U2 debido a la acumulación de energía entre L2 y C2. La frecuencia de esta oscilación depende de L2 y C2 y generalmente es mayor a la frecuencia de la fuente. El voltaje de restablecimiento a través del disyuntor UD crece rápidamente hasta a su valor máximo, siendo esta situación diferente al caso anterior (Figura 2.13b), en el que ha transcurrido medio ciclo antes de que el voltaje de restablecimiento haya alcanzado su máximo. En la práctica, el voltaje de restablecimiento UD es influenciado por las oscilaciones que ocurren en el voltaje U1 cuando el arco se extingue, estas oscilaciones son debidas a L1 y C1..

(43) 33 Como el voltaje de restablecimiento UD es aplicado a través de los contactos del disyuntor después de que el arco se ha extinguido, se pueden establecer las condiciones en las que el arco se reencienda nuevamente, si hubiera el reencendido como en la Figura 2.13c, el voltaje U2 en la carga intentará asumir el voltaje de la fuente U1. Corrientes oscilatorias de frecuencia establecidas por L1 y C1 circulando y el voltaje en la carga puede llegar a valores mayores que U1, como la corriente de arco cruza por cero, este puede nuevamente reextinguirse en t1 y el voltaje de restablecimiento será nuevamente determinado por L2 y C2. Este proceso puede repetirse muchas veces con varios reencendidos, haciendo que el voltaje U2 aumente considerablemente.. Figura 2.13 Interrupción de una corriente inductiva: a) Circuito inductivo. b) Onda de voltaje sin reencendido. c) Onda de voltaje con reencendido [6].. 2.1.1.2.5 Descargas Atmosféricas en puntos alejados de la red aérea Un sobrevoltaje de frente lento puede originarse por el impacto de una descarga atmosférica en una línea a una distancia alejada de la subestación (longitud superior a 100 km), pero con una corriente lo suficientemente baja como para no producir contorneo en el aislamiento. Puesto que las corrientes de rayo tienen tiempos que no exceden los 200 µs, no se presentan sobrevoltajes cuyas características de amplitud y tiempo al pico.

(44) 34 puedan ser críticas para el aislamiento en este caso. Estos sobrevoltajes son normalmente despreciados en los estudios de coordinación de aislamiento. 2.1.1.2.6 Limitación de los sobrevoltajes de frente lento Un método actualmente empleado es el cierre sincronizado que se basa en escoger el mejor instante para el cierre del disyuntor. Otro método consiste en el uso de una resistencia de preinserción en serie con los disyuntores de línea o de varistores a través de cámaras de interrupción que limitan los sobrevoltajes de maniobra con corrientes capacitivas o inductivas y de conexión o reenganche de líneas. Los transformadores inductivos de potencial conectados a las líneas reducen eficazmente las cargas atrapadas en las fases de una línea después de su desconexión de manera tal que los sobrevoltajes de recierre de líneas se limitan a los sobrevoltajes de conexión. La presencia de apartarrayos de óxido metálico limitan los sobrevoltajes de frente lento al nivel de protección correspondiente a impulsos de maniobra. En general los sobrevoltajes pueden alcanzar valores mayores al nivel de protección que proporciona el apartarrayos durante la conexión con cargas inductivas o capacitivas o con maniobras de conexión o recierre, pero no así en los otros tipos de sobrevoltajes de frente lento en donde la magnitud es inferior al nivel de protección del apartarrayos. La protección de los apartarrayos es efectiva en subestaciones y líneas pero a distancias próximas a la subestación, pues en puntos alejados el efecto de la distancia deja de ser despreciable. 2.1.1.3 Sobrevoltajes de Frente Rápido Son sobrevoltajes de corta duración (varios µs) y que normalmente llevan asociados picos de voltaje varias veces mayor al valor máximo del voltaje del sistema. Presentan tiempos de frente de onda entre 0,1 y 20 µs y tiempos de cola que llegan a 300µs. La forma de onda se compone de partes de alta frecuencia y elevados picos de voltaje fuertemente amortiguados. El voltaje de impulso normalizado es un impulso de voltaje tipo rayo 1,2/50 µs..

(45) 35 La causa principal y frecuente de los sobrevoltajes de frente rápido en redes eléctricas es el rayo, aunque también pueden originarse por maniobras en situaciones en la que los equipos se encuentran a corta distancia del disyuntor. 2.1.1.3.1 Descargas Atmosféricas La ocurrencia de una descarga atmosférica puede ser definida como la ruptura del aislamiento del aire entre dos superficies cargadas eléctricamente con polaridades opuestas. Los rayos se originan por la transferencia súbita de la carga eléctrica acumulada ya sea de una nube a otra o de una nube a tierra. Las corrientes ascendentes y descendentes del viento que tienen lugar en la atmósfera crean un mecanismo que separa las cargas eléctricas, dejando la carga negativa en la parte inferior y la carga positiva en la parte superior de la nube. Como la carga en la base de la nube continua creciendo, entonces la diferencia potencial entre la nube y tierra continua incrementándose. Este proceso podría persistir hasta que la disrupción a través del aire ocurra. Véase la Figura 2.14.. Figura 2.14 Separación de la carga eléctrica dentro de una nube [7].. La manera en que una descarga de la nube a tierra se desarrolla involucra a un líder que empieza a viajar descendentemente siguiendo una descarga preliminar desde la base de la nube. Esto involucra una pequeña carga positiva, como ilustra la Figura 2.14. El líder viaja descendentemente unas varias decenas de metros de longitud y con corrientes de pulso de por lo menos 1 kA en amplitud. Cuando este líder está.