ASINEL Coordinación Aislamiento

t

SOLICITACIONES DIELECTRICAS

Lns solicitaciones diclcclricas a que están samclidos los aislamientos de

bis líneas en servicio pueden clasificarse en cuatro tipos y son debidas a:-

-

-

-

IJL

Tensión de servicio.

Sobretensiones internas tcmpoialcs. Sobretensiones internas de maniobra. Sobretensiones externas o atmosféricas.

TENSION DE SERVICIO La tensión de servicio de una línea sufre variaciones frecuentes alrededor

de ciertos valores; sh; embargo en lo que se refiere al cálculo de los aislamiento, S? f'ir re q1.!" F'i *** conni/inre n \q\tn\ n la tensión itiáxüxia de servicio. No obstante, para redes de tensión no muy elevada (por ejemplo, menor de 72,5 kV) y debido a que en ellas el neutro puede estar aislado o no rícetivamente puesto a tierra, será preciso elegir los aislamientos de forma que puedan soportar la tensión resultante en las fases sanas, cuando una fase se pone accidentalmente a tierra. ,

12 .

.

SOBRETENSIONES TEMPORALES

Estas sobretensiones se presentan rn forma de oscilaciones de fiecuencia próxima a la de servicio y débilmente amortiguadas (véase Fig. 1). Pueden ser originadas por faltas a tierra, desconexión de cargas importantes, resonnneias o ferrorLcmiianüas en circuitos no lineales. Su v lor no suele superar 1 5 veces la tensión de servicio.

1J.

SOBRETENSIONES DE MANIOI3RA

Estas sobretensiones son de breve duración y fuertemente amortiguadas (véase Fig. 1), Son debidas fundamentalmente a la maniobra de interruptores y pueden simularse, con respecto a los efectos que producen sobre los aislamientos con impulsos de maniobra normalizados 250/2500 /is. Lis maniobras de conexión, desconexión y reenganche de líneas en vacíocl corte de pequeñas corrientes inductivas o de magnetización de transforma,

7

doro-; en vacio, la eliminuciun de faltas y el corto de corrientes capacitivas de balerías de condensadores son casos típicos que pueden producir s. m. El primero de ellos es evidentemente el que más afecta al aislamiento de las líneas.

ta forma y el valor máximo de las sobretensiones dependen de un considerable número de íaclores. algunos de ellos de carácter aleatorio. Esta enorme

variedad de casos posibles origina asimismo una gran variedad de formas de TEMPOnALES

n.

lilMJI illiilllliililllllUIMIIIIIí

iíií i] j | [ l l l Ifmílil í

lOOmi

MANIOBRA

ms o

30

30

40

50

ATMOSr ERJCAS .

¡ 10

30

30

40

50

Fie. 1.*-Fonrras típicas de sobretcnsiones-

onda y valores de cresta posibles que ha impedido hasta el momento utilizar la forma de las sobretensiones como un factor a tener en cuenta en la coordinación de a¡slamiento limitándose sólo a considerar los valores de l

cresta como factores determinantes de la capacidad de un aislamiento para soportar una sobretensión dada. Para un tipo de maniobra determinado las ,

sobretcnsior

zs que se obtienen en sucesivas maniobras son diferentes pues el instante de cierre de un interruptor o de la aparición de una falta etcM .

,

,

son paráme-tros que presentan un carácter aleatorio. Esto da lugar a que pueda defiirirse una probabilidad d£ aparición de una sobretensión dada. Las curvas de probabilidad para una instalación dada y para un determinado

punto de la red se asemejan mucho a una distribución normal, salvo para valores muy pequeños o muy grandes de la sobretensión (véase Fig 2). -

Admitiendo este carácter normal de las distribuciones de las sobreten.

siones, se pueden deíinir éstas mediante dos únicos parámetros: valor medio y desviación típica. En el caso de las sobretensiones de n.aniobra, la desviación típica suc'c estar entre el 10 y el 20% del valor medio .

8

US50%

US2%

U

Fie* 2.-Función densidad de probabilidad de las 5. m. Para los efectos de la coordinación dr aislamiento se define una sobre-

tensión eslaJlsíica como el valor cuya probabilidad de ser sobrepasado es del 1% (véase Fig. 2):

307.

-

o

,

= valor mediano de la distribución de sobretesiones (coincide con el valor medio de una distribución normal).

= desviación típica de la disiribuciórl de sobretensiones,

Las sobretensiones en kVf medidas o calculadas en un punto de una red,

suelen expresarse en tanto por uno de la tensión de cresta de servicio existente en el lado red del Interruptor cuyá maniobra provoca la sobretensión en el momento anterior a dicha maniobra. Para elío se define un factor de sobretensión:

vT f/, valor de cresta de la sobretensión.

t/ = valor eficaz de la tensión de servicio.

A los* efectos de coordinación de aislamiento de líneas, para obtener las sobretensiones previsibles en kV se deben mullipHcar estos valores en p. U. por la tensión máxima de servicio a que vaya a explotarse la línea.

El valor relativo de las s. m. con respecto a las sobretensiones producidas por el rayo crece a medida que la tensión de servicio de las lincas es mavor. Esto unido al hecho de que los aislamicnlcs soportan una tensión más pequeña con s m. que con sobretensiones almosféricas y a que las distancias

de aislarnionto necesarias crecen más que- pmporcionalmcnte con las sobrentensiones, hace que las s.-m. jueguen actualmente un papel muy importante en el diseño de las líneas de tensión igugl o superior a 300 kV. En la tabla I se indican los valores a prever para las s. m. estadísti.

cas (2%) en líneas de A. T setiún el tipo de red de alimentación, tipo de .

maniobra, tipo de ¡nferrtiplor y grado de compensación reactiva. La tabla se refiere, sólo a sobretensiones producidas por maniobras de conexión en vacío o reenganche, por sor éstas las que producen generalmente las fobrelcnsioncs más imporlanlcs. Las sobretensiones dadas son en íinsil de línea es decir, en ,

el extremo opuesto a aquel en el que se- hace la maniobra

.

Las sobretcnsio-

9

Puntos de medido

final de lineo O Tipo de momobre coneAicn

0

reenganches

O

Resistencia de prcmsercion

.

si

.

no

Red de alimenlacicín compte|a

0

inductiva

O

Compensacioh reactiva.



siendo:

Ü**h&tí*m

2t50 .

11 ,

1 2 Y/re .

Tic. 14.-Determinación del dnpulo tnedio de apanlalInmici\lo íolal.

29

32 .

.

DISPOSICION DV. LOS HILOS OE GUARDA PAUA UN A PANTALLA M11: NTO TOTAL

Según el valor de ylrc y clr B.2-Este caso se presenta generalmente en vanos que atraviesan ua valle o un río. En la figura 17 se ve que en estos casos hay una zona en la que, de iniciarse en ella el sallo final, el conductor se vería alcanzado por el rayo. Sin embargo, para que ello suceda, el ángulo -

1 n

0

0

¿i

D

7777/ 7/777777777777777777'

7777 777777777777777777

Fie. 15.-Angulo de npantallarnicnto

FíG. I(J.-. íngulo negativo.

positivo

V

/ /

uifl..-

7777777777777777777777777777777777777 Fie. 17,-Apancalfómicnto total Imposiblo. 30

de caítlíl (Id r;iyo ilihc ser superior nn Jclcrmimiclo valor. Como los ángulos de c:\ii\n ye lUMnltuyetl tnny conccnlriidnincnlc «'iIrcdctlor de vcrlical, la prolinliilifhtd de futió m: hace muy pequeña. Hn In práctica, cl ángulo de apantallnmicnto en e Ios casos se limita a

- lO",

Defendiendo de la configuración ele la linca, un hilo de guarda puede no ser suíicícnlc para proteger a lodos los conductores y en este caso será necesario instalar 2 o. incluso. 3 hilos.

a)

Lincas de configuración verúcal (triángulo o bnndera)

En estas líneas puede bastar un solo liiío de guarda para proteger lodos los conductores, siempre que cl «ángulo de apantallamicnto de los conductores más externos sea suficiente.

b) Lincas de configuración horizontal (capa)

Un estas Jíncas es generalmente necesario instalar dos hilos de tierra simétricos respecto al eje de los apoyos, de íorína que cada uno proteja al conductor más exorno de su lado ['Ij. Estos dos hilos pueden apanlallar también cl conductor central si se veri-

fica una de las dos condiciones siguientes (Fig. 18), siendo D el punto de corle de las medíatrices de J'j/ y TjFil AFi>hlrÉ

BF1

o

O

m

i

M

i

1 o o

R

I .

e o

1

+

1

I

*

f

o

P O

.

V -

o

\

. i

\ \

.

\

\

CO

V

u

V

40

V

o

I V

S

20 .-

ti .

.

O

50 100 Rcjislcncíci ü frecuencia Inuuilrial

150

200 n

Tic. TA.-Oblcucidn de la resistencin efectiva de la puesta a tierra de los apoyos

35 .

.

CALCULO DHL NUMERO DE FALTAS EN LINEAS SIN HILO DE TIERRA

En líneas no provistas de Itilos de tierra, puede eslimarse e! número cíe taltns por rayo tuili/.ando el método empírico de Rurgsdorí-Kostenko (7J, según el cual, el núme:o de fulla;: por 100 km de línea y año es:

38

en donde! -

Nl es el niitnero de rayos cnfdos sobre ln linca por 100 km y mío, que se calcula media 11 te la fórmula: /V, -

30

2f-»al(tir«i niedin del conduclor más alio. nivel isocernunico de ly zona. -

T, es la probabilidad de que la intensidad del rayo supere el valor /e necesario para producir falla:

JW

je

'

'

'*

<

'

plSS I0«-V«>

(/ccnkA)

[/C30»/9»tensión de cebado 50% de la línea con sobretensiones atmosfericas (nivel de aislamiento),

En las líneas de media tensión sobre postes de madera, el nivel de aislamiento íase-lierra puede ser muy superior al nivel fase-fase, por lo que en estos casos se debe tomar como 7C el valor:

tyr!0l/fWr= tensión de cebado entre fases con s. a. A-Í2ClCr

de fcrpl cíenlo entre

,

fases:

ln--

í/i = alluia media del conductor más alto (1).

radio geométrico medio del conduclor (radio equivalente) (véase apartado 3.1).

f/i3 = distancia entre el conductor 1 y el más próximo a 61 (2). rfí: = distancia entre 1 y la imagen del 2.

39

4

.

A l .

DISEÑO

DL

LAS

LINEAS

ELECCION DE LAS CADENAS DE AISLADORES

Las cncfcnns de aisladores deben tener una línea de fuga que pueda soportar la tensión de servicio en las condiciones de contaminación presentes en

la zona por la qtic pasa la línea, sin que se produzca contorncaniiento. Se ha comprobado mediante numerosos ensayos que la probabilidad de producirse Un contorncnmicnlo del aislador por efecto de una s. ni. superpuesta a la tensión de servicio es muy pequeña, aun en el caso en que existan ya zonas scca.s en el aislador previamente acondicionadas por la tensión de servicio Ml .

Dc acuerdo con esto, la elección de la longitud de la línea de fuga de las cadenas de aisladores se hace atendiendo solamente a la tensión de servicio. En el caso de redes de media tensión de neutro aislado, será necesario

considerar la tensión a frecuencia ¡ndusirjai que puede quedar aplicada durante un tiempo prolongado en las fases sanas en e! caso de falla a tierra.

En la tabla II se indican aproxirnadaihcntc las longitudes de las líneas de fuga a prever según el grado de contaminación de la zona [6]. El tipo de elementos y número de ellos por cadena se deben elegir teniendo en cuenta también el comportamiento de las líneas de tensión semejante ya instaladas en la zona.

Es preciso comprobar después que la cadena resultante es capa?: de soportar entre henajes las solicitaciones eléctricas a que va a estar sometida, con un riesgo de fallo dado, lo cual se puede realizar siguiendo el procedimiento que se dcsc birá más adelante.

42.

ELECCION DE LAS DISTANCIAS DE AISLAMIENTO

La elección de las dislancias de aislamiento en las líneas debe realizarse

teniendo en cuenta el valor de las solicitaciones dínlcctricas a que van a oslar sometidas, de manera que el riesgo de fallo para cada una de estas solicitaciones sea inferior a un valor prefijado considerado romo aceptable.

El nivel de las sobretensiones producidas por caída directa del rayo sobre un conductor de fase es nonnalmente tan elevado que no sería económico elegir lac distancias de aislamiento entre fases y a ticrjta de manera que pudieran soportar sin fallo estas sobretensiones. Por otra parttí, las sobretensiones que de esta manera serían transmitidas por la linca a las subestaciones

pondrían en peligro los aparatos allí instalados, en los que coexisten aisla-.

micntos autorrcrencrablcs y no autorreycnerables. Ett las líneas de A. T. la protección contra el rayo se realiza disponiendo convenientemente los hilos de tierra para evitar la caída directa del rayo sobre los conductores de fase y reduciendo convenientemente la resistencia de püesta a tierra de los apoyos para evitar rl cebado entre los apoyos y los conductores de fase por elevación

excesiva de la tensión de los apoyos en el moilientú de la caída del r.iyo sobre ellos o los hilos de tierra.

La tensión de servicio representa una solicitación continua, presente incluso en las circunstancias más adversas de

funcionamiento de la línea:

viento íuertc, lluvia, contaminación ambiental, etc., y por esta razón los criterios para la elección de las distancias necesarias para soportar la tensión 10

-

fie servicio han de tener en cuenta la probabilidad de presentarse dichas condiciones adversas, pues ello va a determinar el riesgo de fallo para una tensión de servicio dada.

Las sobretcnsionéi de maniobra se prcsenlan, por el contrarío, esporádicamente y coincidiendo, por lo general, con la maniobra de un Interruptor. La elección d**. los aislamientos de

acuerdo con

estas sobretensiones deberín

hacerse teniendo en cuenta, por una parle, las condiciones ambientales variables, entre las cuales la más condicionante es el empuje del vícnlo; por otra, la distribución estadística de las S. tn. paxü Ciidn tipo de maniobra susceptible de producirlas; por otra, la frecuencia con que se realizan dichas maniobras, y, por

ullimo, la distribución estadística de las tensiones de cebado con s, m.

de las distancias de aislamiento,

El proGlcma que presenta la correcta elección de los aislamientos de las líneas de acuerdo con el criterio de las s. m. se comprende que es el conocimiento suficientemente exacto de los datos necesanon, por lo que, en la predica, se suelen aceptar ciertas hipótesis simplificalivas. En una línea de 20 kV, el ahorro que podría conseguirse diseñando las distancias com un criterio acertado, justifica un estudio detallado de las- s; m.

previsibles, lo cual puede realizarse previamente a In construcción de la misma mediante simulación en un programa de cálculo numórico [13J. Para líneas de menor tensión, el ahorro no es tan importante y no suele hacerse un estudio detallado de las s. m. previr.las, limitándose a lo. sumo a suponer un valor máximo de estas sobretensiones de acuerdo con la experiencia de otras lincas anteriores de características scmejiinlrs. Por otra parte, no hay que olvidar que por encima de los criterios técnicos están los criterios de seguridad fijados por los reglamentos, de aplicación

obligatoria, por lo que este aspecto legal puede condicionar el diseño técnicar

Por esta ezóng el diseño de las distancias de aislamiento se debe comenzar

por la aplicación del Reglamento técnico de lincas étéctricas aéreas de A.T. y comprobar que la línea así diseñada tiene un riesgo de [alio admisible. 42 1 .

.

.

Distancias conduCtoh-Aíovo {IWItaiváw üe aire)

Cabe distinguir dos casos, según cjiic «se trate de apoyos en los que la distancia conductor-apoyo sea constante (geometría íija) o sea variable según el empuje del viento (gcomclrfa variable) (Figs. 25 y 26), ,

V

Fie. 25.-Línea de gcomcUfní fija,

Fio. 26.-Linca de geometría vnrlablc.

41

n)

Para Uncas de gtOinetHa fijrt, la separoción mfnlína aceptada por cl

Reglamento entre conductores y sus acesorios tn tensión y los ayopos viene

dada por la expresión: ¿=.0,14 ÜJÍ50 siendo:

c/ = distancia mínima en m (mínimo 0,2 m).

f/rtS tensión nominal de la línea, en IcV.

Esta distancia permite que la línea soporte, la tensión de servicio con un cierto margen de seguridad. Veninos cuál es este margen para una línea de UH**3B0 kV (Crnl=H20 kV): .

f

a

r

t/=:0,U380/150 = 2 63

La tensión a f. i. soportada por esta distancia es:

l/*oyf« U

h- ***** V**%a ~ 0f24) «

l + o/a

* 0t7tí lf40

1 + o/a

. 0|7(5 - 855 kV

La relación entre esta tensión y la aplicada al intervalo de aire es:

I

*/33

Por InntOi desde el punto de vista exclusivo de la tensión de servicio, precie afínnarse que ul Reclámenlo da valores muy conservadores.

b) Vara lincas de geometría variable, el Reglamento íija que esta distancia debe ser también la mínima entre conductor 3r npoj'o cuando el conduclor está desviado un cicelo ángulo bajo la acción de un empuje lateral por efecto del viento de 25 kp/m* para conductores de diámetro superior a 16 rnm o ele

30 hg/tu1 pata díárt.strd inferior a Id min, Para tener en cuenta la existencia de* un cW.wo número de apoyos en de-

presión, en los que la inclinación de las cadenas de aisladoies será mayor ni ser más pequeñas las cargas verticales, se fUiclc respetar dicha distancia para un ángulo de inclinación de la cadena superior en 10 ó 15 al deducido con el anterior o-ipujc del viento, para cl tipo de conductor empleado y para un vano medio. Los ángulos totales usuales para los conductores y longitudes de vano °

más notiiinlcs son: Líneas de 132 kV

50°

Líneas de 220 kV

45°

Líneas de 380 kV

40°

El apoyo así definido servirá para todas aquellas situaciones en la línea en las que la combinación de vano de viento y vano de peso determinen un ángulo de desviación máximo con cl anterior empuje del viento inferior o igual al calculado. Si un apoyo va a estar situado, por ejemplo, en depresión, y por ello cl ángulo íucra mayor, se debería utilizar otro apoyo o contrapesar cl aislador. -

12

422 .

.

Distancia entre conductoíies

.

El Reglar cnlo especifica una distancia mínima (en metros) dada por: 150

siendo:

lecha máxima en metros.

f

Fr

/t-longitud

de la cadena de suspensión. Para cadenas de amarre, / = 0.

t/ = tensión nominal de In línea en kV.

fCrzcocíicientc de oscilación de los conductores con el viento o desprendí miento de hielo, de acuerdo con la tabla ÍV.

TADLA IV VALonns dp, K

Angulo de desvinción con viento cíe 120 kin/h

Um>36 kV

a > 65* 'lO' (7J

W. Dip.rr.NOfnir:

«fnsulallon Coordínalion in Ilieb-Voltage Elcctnc Powcr Sys-

tems», Ed, Dullcrworlhs, Í97A,

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Irítóficas.

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57

LISTA DE SIMBOLOS UTILIZADOS

y\ = Factor de acoplamiento entre fases en una línea. c= Distancia media entre el lulo de tierra y el conduclor apantallado. r/= Dislancia. Distancia entre electrodos.

r|,|aDistancia entre los conductores 1 y 2.

ííí3=r Distancia entre el conductor 1 y la imagen del

2,

«s Flecha de un conductor de fase.

/( = Flccl!a de un hilo de tierra. fita Altura inedia del hilo de tierra. h Altura del hilo de tierra en el apoyo. /= intensidad de cresta del rayQ. ~

t

7e=

Intensidad crítica del rayo que produce falla en la línea.

f

cetFactor de sobretensión íase-licrm.

f

if k2, cis=sFactores función de la geometría de los electrodos. 7=

Longitud de una cadena de aisladores.

n = Numero de conductores de un haz. Número de faltas.

Número de elementos en paralelo sometidos a la misma sobretensión. Nf=

Número de apoyos equivalente de una línea suponiendo un perfil de sobretensiones lineal.

A/r-Número de rayos caídos por km2 y ano.

Ni»Número de rayos caídos sobre una línea por 100 km y ano. r,r= Probabilidad de que la Intensidad del rayo supere el valor Ic i s Proporción de rayos que caen sobre los conductores de fase respecto ni total de los que caen sobre la línea.

((7)r= Función de distribución de Icnsiones de cebado de un aislamiento. ps[U) -

Función densidad de probabilidad de sobretensiones.

r= Distancia de salto final de un rayo.

rc= Distancia de sallo final del rayo crítico, Ti Radio de un conductor de fase. r,

Radío equivalente de un Iiaz de conductores.

/?= Riesgo de fallo de un aislamiento. 7 = Radio del haz de conductores de una fase.

ni0|=:Riesgo total de N clcmcnlos en paralelo. 7 = Nivel isoccránnico

.

(/ = Tensión de servicio (eficaz).

C/ ts Tensión míxima de servicio. C/ eaTensión nominal. t/#= Valor de cresta de una sobretensión. t/fJI/ = Sobretensión estadística (2%), t;j5oV = Sobretensión con probabilidad 50% de |

|

ser superada. 59

Uettm

83

Tensión soportada (100%). Tensión Boporladn üSlttclínlicn (90%). Tensión cuya probnlnlidad de producir un ccbailo cr. del 507¿.

f:f.« Tensión de cebado 50% del aisiamicnlQ 'Mitre fases.

Distancia horizontal uiitrc cl hilo de lícrun y cl conductor de fase más externo. Altura inedia de nn coiuluctor de fase, y»"

Allnrn de un conductor de fase cu cl apoyo. Allura media del conductor más alto.

Im[ edancía cnractcríSlica de un conductor de fase,

Inipcdancla Carnclcríslica de urt h.lo de tierra. Angulo de desviación de una cadena de aisladores. T « Coeficiente de seguridad estadístico.

Angulo de apanlallaiuicnlo. Angulo dt apautalínmieulo total. Angulo de npniitnllmnlento en cl apoyo. Desviación típica de la distribución tic sobreteusioues.

Desviación típica de la distribución de tensiones de cebndo,