Cable de Guarda Como Proteccion de Lineas de Transmision

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

INFORME CURSO: TECNICAS DE ALTA TENSION

TEMA DE INVESTIGACION: CABLE DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION

PROFESOR: ING. HOLGER MEZA DELGADO

ALUMNO MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

CUI 20071625

2014

TECNICAS DE ALTA TENSION

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN AREQUIPA FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

CABLE DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION PRESENTADO POR EL ALUMNO DE PREGRADO: ELMAN OSCAR MAMANI RODRIGO PARA OPTAR EL GRADO DE BACHILER DE INGENIERIO ELECTRICISTA

AREQUIPA – PERU 2014

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DEDICATORIA: Este trabajo la dedico a mi mama, por ser mi ejemplo de perseverancia y de lucha Constante forma el pilar más importante dentro mi vida personal y del inicio de mi carrera universitaria… Y de manera general a mi hermana y demás familiares por ser un apoyo incondicional.

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AGRADECIMIENTOS: Agradezco de forma especial a mi madre la señora Bonifacia Rodrigo Choque y a mi hermana Lourdes Mamani Rodrigo al hacer de mi una persona perseverante y alcanzar mis objetivos gracias a sus inculcaciones.

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TECNICAS DE ALTA TENSION INDICE

DEDICATORIA:....................................................................................................... 2 AGRADECIMIENTOS: ............................................................................................ 3 1.- INTRODUCCION: CABLES DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION ................................................................................................. 5 2.- DESCARGAS DIRECTAS.................................................................................. 6 2.1.-SOBRE CONDUCTORES ............................................................................ 6 2.2.- SOBRE CABLES DE GUARDA O TORRES ............................................. 10 2.3.- DESCARGAS INDIRECTAS ..................................................................... 12 3.- CABLES DE GUARDA EN TORRES DE ALTA TENSIÓN Y RAYOS. ............ 14 3.1.- MÉTODOS CLÁSICOS DE UBICACIÓN DEL HILO DE GUARDA (*5) .... 20 3.1.1 Charles.................................................................................................. 21 3.1.2.- Wagner y Mac Cann ........................................................................... 22 3.1.3 Schwaiger ............................................................................................. 24 3.1.4 Langrehr................................................................................................ 26 3.2.- MODELO ELECTROGEOMÉTRICO (*6) .................................................. 28 3.3.- COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS CLÁSICOS Y EL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO ................................................................................. 30 4.- EL CABLE DE GUARDIA CON FIBRAS ÓPTICAS (OPGW)........................... 31 5.- FORMULACIÓN DEL MODELO PARA EL APANTALLAMIENTO DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN.................................................................................. 33 5.1 COMO MEDIR LOS PARÁMETROS DEL RAYO (*1) ................................. 33 6.- FORMA TEÓRICA DEL IMPULSO DE CORRIENTE EN DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (*1) ........................................................................................... 35 CONCLUSIONES.................................................................................................. 40 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 41 ANEXOS ............................................................................................................... 41

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1.- INTRODUCCION: CABLES DE GUARDA COMO PROTECCION DE LINEAS DE TRANSMISION Las descargas atmosféricas en líneas de distribución son mucho más críticas que en líneas de transmisión, debido a que su nivel de aislamiento es mucho menor. Los daños causados por descargas atmosféricas en líneas de distribución, son debidos a descargas directas sobre los conductores de fase o sobre los neutros o cables de guarda, en caso de existir, o son debidos a descargas indirectas que no impactan directamente la línea pero alteran el campo electromagnético a su alrededor, induciendo sobre tensiones en la misma. La figura 1 ilustra estos casos. Los principales daños causados por descargas atmosféricas en líneas de distribución, afectan equipos como los enumerados a continuación: Transformadores de distribución, cortacircuitos y fusibles, interruptores de aceite, conductores de línea y aisladores. Adicionalmente, pueden transferir impulsos a la red secundaria debido a la capacitancia entre devanados de los transformadores, afectando equipos domésticos. El presente proyecto está orientado a la protección de las líneas de transmisión ante las descargas atmosféricas. Como bien es sabido para eliminar totalmente la influencia del campo electroestático atmosférico sobre los conductores habría que construir alrededor de ellos una jaula de Faraday, lo que es económica y técnicamente imposible, por lo cual basándose en la experiencia se emplea el sistema de apantallamiento que está constituido por un hilo de guarda, el cual necesita una serie de parámetros que cumplir en cuanto a geometría de las torres y distribución de fases, para funcionar de manera adecuada. La labor del hilo de guarda es proteger a todas y cada una de las fases que conforman la línea, ya sea esta de uno o dos circuitos, por esto en una línea pueden existir uno, dos o tres hilos de guarda; la eficiencia de la protección con hilos de guarda depende de la posición de los hilos respecto de los conductores, pero siendo las relaciones muy complicadas ya que existen varios factores independientes que influyen, como la corriente del rayo, el nivel ceraúnico, por esto no se puede hablar de la existencia de una solución analítica al problema, sino solamente aproximaciones experimentales. Es importante mencionar el criterio que se tomará en cuenta con respecto a las consideradas fallas del sistema eléctrico. En la mayoría de ámbitos que alberga la MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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TECNICAS DE ALTA TENSION Ingeniería Eléctrica, una falla es considerada toda aquella que hace que cierto sistema salga de funcionamiento y en cuanto a líneas de transmisión no podría ser la excepción, respecto al criterio que se está manejando hay que aclarar que una falla de apantallamiento no siempre provocará una salida de alguna línea, por lo cual, este trabajo está basado en fallas estrictamente de apantallamiento, esto quiere decir que cualquier perforación que exista en el apantallamiento, provocada por una descarga atmosférica, será considerada como falla sin que esto involucre una salida del sistema. El planteamiento de alturas y demás elementos que constituyen el apantallamiento será considerado a partir del modelo electrogeométrico, el cual está basado en un volumen de protección, el mismo que deberá cubrir todas las fases de la línea. Esta teoría será explicada con mayor detenimiento en el siguiente capítulo de este proyecto.

2.- DESCARGAS DIRECTAS 2.1.-SOBRE CONDUCTORES Las descargas directas sobre los conductores de fase producirán, casi con certeza, un flameo directo de las cadenas aisladoras, ocasionando una falla usualmente monofásica. El flameo inminente se puede visualizar si tenemos en cuenta que la impedancia característica de una línea de distribución, es aproximadamente 400 Ω, y que un rayo promedio tiene una corriente pico MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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TECNICAS DE ALTA TENSION aproximadamente de 30 KA (figura 2), con lo cual la sobretensión pico promedio inducida en la línea, es: V = 30 KA x 400 = 6000 KV. Si tenemos en cuenta que la tensión crítica de flameo (tensión a la cual el aislamiento produce flameos el 50% de las veces), de una línea de distribución, es normalmente inferior a 200 KV, concluimos que es muy poco probable que una línea de distribución soporte sin flamear una descarga directa sobre los conductores de fase. Este tipo de descargas tienen tres características importantes desde el punto de vista de los daños que puede causar:

• Si la magnitud de la tasa de crecimiento de la corriente de la descarga tiene un valor suficientemente alto, puede romper el aislamiento interno de los aisladores en puntos de la línea ubicados en cercanías del punto de impacto de la descarga (alrededor de 50 mts.). Para que este daño ocurra se debe cumplir que la descarga alcance la tensión de ruptura de frente escarpado del aislador, en un tiempo inferior a 0.1 μs (3). Para aislamientos de sistemas de distribución esto corresponde a tasas de crecimiento de la corriente del rayo superiores a 10 KA / μs, las cuales tienen una probabilidad muy alta de ocurrir (2), del orden de 70%. (Figura 3) La ruptura del aislamiento interno del aislador no siempre se produce, debido a que el aislamiento del aire normalmente se rompe primero, pero a medida que la tasa de crecimiento de la tensión es mayor, la rigidez del aislamiento del aire mejora ostensiblemente y puede ocurrir que se haga superior a la del aislamiento interno del aislador obligándolo a que se produzca la ruptura eléctrica a través de él. La figura 4 ilustra este concepto.

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En la figura 4 se observa que la descarga 1 haría flamear primero el aire y la descarga 2, de alta tasa de crecimiento, rompería primero el aislamiento interno del aislador. El punto de corte de ambas características es en realidad de muy difícil determinación, dado que depende de factores tales como las condiciones ambientales y la contaminación del aislamiento. Debe tenerse en cuenta que en los postes terminales la tasa de crecimiento de la tensión tiende a duplicarse por el efecto de línea abierta, por lo que sus aisladores tienen mayor probabilidad de sufrir daños. Un fenómeno similar, aunque no tan grave, ocurre en los postes con derivaciones de redes primarias. La presencia de cuernos saltachispas en los aisladores reduce mucho estos daños.

• Si la magnitud de la corriente de retorno de la descarga tiene suficiente valor, producirá flameo al aire y en consecuencia una falla monofásica que obligará la salida del circuito, con el consiguiente deterioro de la calidad del servicio.

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TECNICAS DE ALTA TENSION Dado el bajo nivel del aislamiento en las líneas de distribución, la magnitud de la corriente necesaria para producir esta falla se puede estimar como de solo 1 KA: 200 KV/ (400/2 Ω), valor que supera el 99.9% de los rayos. Cabe anotar aquí, que en este cálculo no se debe considerar el aislamiento de las estructuras de madera, ya que se espera que durante las tormentas este lloviendo, con lo cual la resistencia de la madera se ve sensiblemente disminuida. • Si la distancia entre pararrayos y transformadores es excesiva, la reflexión de ondas en los bornes de los transformadores incrementa la tensión excesivamente en esos puntos, rompiendo su aislamiento interno. Aunque este efecto se ve amortiguado con la distancia debido a los efectos resistivo e inductivo de la línea, se ha establecido que la distancia entre pararrayos y equipos debe ser tan corta como sea posible y que si su valor es mayor de 40 m, la protección brindada por el pararrayos al equipo es deficiente. Los daños causados por este efecto en líneas de distribución, alcanzan un radio de aproximadamente 500 m del punto de impacto, con lo cual es usual encontrar varios transformadores dañados por una misma descarga.

2.2.- SOBRE CABLES DE GUARDA O TORRES El hilo de guarda es una protección muy necesaria, para el propósito de disminuir los riesgos de disparo de las líneas por descargas atmosféricas, producidas por las inducciones de sobretensiones de cargas estáticas producidas por tormentas eléctricas. De lo dicho resulta que la mejor solución para proteger líneas aéreas contra descargas atmosféricas sería impedir que estas entren en los conductores de líneas aéreas. Los hilos de guarda se colocan por encima de los conductores de fase y están unidos a tierra en los apoyos de la línea. De esta manera se reduce el riesgo de caída directa del rayo sobre los conductores (*7). Si el rayo cae sobre un apoyo, la corriente que circula por la estructura metálica de apoyo y a través de su toma de tierra da lugar a la aparición de una tensión o diferencia de potencial importante entre la estructura y los conductores de fase. Esta tensión depende de la intensidad del rayo y de la impedancia que presenta el conjunto apoyo-hilos de guarda-toma de tierra para la onda de frente escarpado correspondiente.

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TECNICAS DE ALTA TENSION Si esta tensión supera el valor de la tensión de cebado de aislamiento conductorapoyo, se produce una falla de aislamiento correspondiente, que se denomina cebado inverso o descarga inversa (*7). Cuando la descarga directa golpea el cable de guarda o la torre, se presentan varios fenómenos: • La onda electromagnética producida por la descarga viaja a lo largo del conductor de guarda, e induce, debido al acople inductivo y capacitivo con los conductores de fase, una sobretensión en estos últimos que puede causar un flameo fase-tierra. La figura 5 ilustra este concepto El factor de acople entre cables de guarda y conductores de fase es el porcentaje de tensión inducida en la fase para una sobretensión dada en el cable de guarda. En líneas de distribución varía entre 0.1 y 0.5, dependiendo de la altura del cable de guarda sobre los conductores de fase. En el mejor de los casos, con ángulos de apantallamiento menores de 30º, el factor de acople es aún suficiente para que una descarga promedio produzca flameo. Esta conclusión se puede visualizar como sigue: La tensión inducida en el cable de guarda, el cual tiene una impedancia característica cercana a 500 , para una descarga promedio, es aproximadamente: 7500 KV (30 KA x 500/2 Ω), con lo cual la inducción en el conductor de fase será del orden de 750 KV con un factor de acople de 0.1, haciendo inminente el flameo a tierra en el conductor de fase. Cabe anotar aquí, que en esta estimación no se tuvieron en cuenta las reflexiones negativas producidas en los puntos en que están puestos a tierra los cables de guarda (ver figura5), ni el efecto corona, factores que pueden disminuir ostensiblemente la tensión pico alcanzada en el cable de guarda y por ende la inducción. La influencia benéfica de las reflexiones negativas resalta la importancia de poner a tierra los cables de guarda en el mayor número de puntos posibles, siendo ideal hacerlo en cada poste o estructura. Para descargas atmosféricas de alta tasa de crecimiento de la corriente, la puesta a tierra de los extremos del cable de guarda no será suficiente para evitar una gran inducción en el conductor de fase, con lo cual el riesgo de falla en la línea de distribución por descargas atmosféricas en el cable de guarda es muy elevado. Aunque es muy difícil establecer un porcentaje de fallas, en general podemos estimarlo como alrededor del 70%, que corresponde a la suposición de que las reflexiones amortiguan el 50% de la onda incidente, de que el factor de acople sea del 10% y que la tensión de flameo directo del aislamiento sea de 200 KV, y considerando además el aumento de la tensión de tierra correspondiente. Este MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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TECNICAS DE ALTA TENSION resultado indica que el cable de guarda solo podría proteger contra el 30% de las descargas que lo alcancen. De este breve análisis se concluye que los cables de guarda en líneas de distribución no ofrecen una protección muy efectiva contra descargas directas.

• La descarga impacta en el vano del cable de guarda o en la torre, repartiéndose entre los cables de guarda y la puesta a tierra del poste. Dado que usualmente la puesta a tierra en líneas de distribución es muy pobre (reduciéndose a enterrar una varilla copperweld), la resistencia de puesta a tierra del poste es usualmente alta (mayor de 20 Ω), con lo cual una corriente de rayo relativamente baja producirá un apreciable incremento de tensión entre el conductor de puesta a tierra (o el cable de guarda) y los conductores de fase, facilitando la aparición de un flameo inverso. La figura 6 ilustra este concepto. Para que ocurra flameo inverso en una línea de distribución, se requiere que la tensión producida por la corriente a tierra sea mayor que la tensión crítica de flameo inverso, más tres desviaciones estándar del aislamiento de la línea. Esta tensión, en líneas de distribución, no supera los 300 KV, con lo cual la corriente necesaria para producir flameo es aproximadamente: 15 KA (I = 300 KV/20 ). Para producir esta corriente se requiere alrededor de 30 KA de corriente de retorno con lo cual se espera que cerca del 50% de las descargas en la línea de distribución produzcan flameo inverso. Así pues, si la resistencia de puesta a tierra es alta, se producirá flameo directo por inducción o inverso por sobretensión en el cable de guarda, por lo que debe procurarse que este valor sea tan bajo como se pueda.

2.3.- DESCARGAS INDIRECTAS Las descargas indirectas son aquellas que no impactan directamente la línea, pero que retornan por un canal ionizado cercano a la línea (dentro de un radio de MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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TECNICAS DE ALTA TENSION aproximadamente 200 m). El cambio brusco del campo electromagnético producido por la circulación de la corriente de retorno induce en la línea una sobretensión. La figura 7 ilustra este concepto De acuerdo con investigaciones, (1), (3), se ha encontrado que cerca del 80% de los daños en líneas de distribución, son producidos por este mecanismo. Así pues, las descargas indirectas constituyen la principal causa de daños por descargas atmosféricas, no solo en líneas de distribución sino en instalaciones domiciliarias y de computadores. La protección contra este tipo de inducciones consiste en la construcción de una jaula de Faraday alrededor de los conductores. Obviamente, una jaula ideal sería de construcción injustificable económicamente en la mayoría de los casos, pero la presencia del cable de guarda ha demostrado comportarse como una jaula de Faraday bastante buena (1), (3), reduciendo apreciablemente el número de fallas por este concepto. La presencia del cable de guarda en una línea de distribución, se justifica, no solo como protección contra descargas directas, sino por su efecto de jaula de Faraday contra descargas indirectas.

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3.- CABLES DE GUARDA EN TORRES DE ALTA TENSIÓN Y RAYOS. Los cables de guarda instalados en las líneas de alta tensión, son cables sin tensión que se colocan en la parte más alta en las redes de alta tensión, se conectan a la misma estructura metálica en cada torre y sirven para varios motivos. Uno es el generar un equipotencial de tierra en todo el trazado de la línea, rebajando al mínimo la resistencia de tierra ya que con el cable se unen todas las torres y por defecto todas las tomas de tierra del trazado. Otro motivo es para intentar captar el rayo durante las tormentas y conducirlo a tierra (cosa que no siempre sucede)

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Por una parte lo primero es bueno para reducir el riesgo eléctrico a las personas que toquen una torre de alta tensión, y minimizar así las posibles tensiones de paso que pueden generarse. Por otra parte es perjudicial porqué es sabido que esto facilita que el rayo encuentre un camino de resistencia baja en los puntos más altos, cuando el rayo impacta en la torre, aparecen en más o menos medida fugas de corriente de alta tensión por las estructuras, poniendo en riesgo a las personas que estén cerca de la torre en ese preciso instante.

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Otro motivo perjudicial a nivel de seguridad eléctrica y del propio transporte de energía es cuando un rayo impacta en el cable, éste sufre una degradación de material, es decir, la energía generada del rayo en el punto de contacto del cable, crea la fusión del material y perdida de éste por un lado, y por otro, la modificación de su resistencia mecánica. Un cable afectado por rayo, es un peligro inminente para el suministro eléctrico, ya que se puede partir y cortocircuitar los cables de tensión que están por debajo de él, creando más chispazos y fusión de los cables de tensión. El problema no es la desconexión del servicio, el problema es que seguramente este deterioro no se percibe en el momento de la reparación y más adelante puede aparecer el accidente de verdad.

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Las empresas de control visual en vuelo, pueden apreciar el deterioro causado por un rayo en los cables de guarda, las inclemencias meteorológicas; viento, nieve y lluvia heladora, pueden facilitar que un cable afectado por rayo se rompa, incluyendo el sobrepeso de los pájaros.

Quien no ha visto centenares de pájaros encima de los cables, el problema no es el peso, el problema es el esfuerzo al salir al vuelo todos de golpe, ese esfuerzo genera que el cable se ponga en tensión y vibre.

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En el caso de las torres de alta tensión, pasa algo parecido con los efectos térmicos de los rayos. Las torres son verdaderos pararrayos, dado que están construidas todas de metal y están perfectamente puestas a tierra. Los trazados de las torres, las obligan a pasar por puntos elevados, predominado en ocasiones en lo más alto de las montañas. Una torre bien diseñada e instalada, puede padecer esfuerzos térmicos cada vez que es impactada directamente por un rayo, la resistencia mecánica de una torre de alta tensión puede debilitarse después de padecer una descarga de rayo.

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En Andorra se registran rayos de más de 200.000 amperios y en función de la resistencia de la tierra, las tensiones que pueden aparecer en una torre de alta tensión serán de millones de voltios, llegando la torre a ponerse al rojo vivo físicamente. Al enfriarse el metal rápidamente porque hay tormenta y fuertes

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TECNICAS DE ALTA TENSION vientos, el material padece un efecto de destemple, es decir que su estructura molecular a cambiado, perdiendo resistencia y por defecto aguante mecánico.

3.1.- MÉTODOS CLÁSICOS DE UBICACIÓN DEL HILO DE GUARDA (*5) Existen diferentes métodos para ubicar los cables de guarda y cada uno de ellos proporciona una zona de protección contra descargas directas diferente. Los métodos clásicos se basan principalmente en criterios geométricos sin mayores fundamentos teóricos que los resultados obtenidos de su aplicación. Los métodos clásicos que se utilizan en este trabajo son: · · · ·

Charles. Wagner y Mac Cann. Schwaiger. Langrehr.

También existen métodos modernos que se basan en modelos teóricos del fenómeno de descargas atmosféricas. En este trabajo se utiliza en particular un método basado en el denominado Modelo Electro-geométrico. A continuación se analiza la protección brindada por los cables de guarda de las líneas de transmisión según los diferentes métodos que han sido tomados en cuenta en este trabajo, sin embargo existen un sin número de métodos con los

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TECNICAS DE ALTA TENSION que se pueden realizar los cálculos para determinar el grado de protección de una línea de transmisión. En algunos casos se indica también la ubicación que deberían tener los cables de guarda para brindar una protección óptima según cada criterio. Cabe mencionar que no existe ningún método que asegure que el apantallamiento nunca fallara, puesto que una descarga atmosférica no tiene un comportamiento uniforme. 3.1.1 Charles Este criterio establece un ángulo de apantallamiento α= 45º con la vertical, de modo tal que la descarga atmosférica no caerá sobre ningún objeto que se encuentre dentro del cono delimitado por dicho ángulo. Este criterio es poco severo y permite ubicar el cable de guarda a menor altura. El apantallamiento que brindan los cables de guarda de la línea según este criterio se puede ver en el ejemplo, figura 1.4, se observa que las fases exteriores tienen un apantallamiento excesivo mientras que la fase central no resulta protegida. FIGURA 1.4 ZONA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGÚN CHARLES

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TECNICAS DE ALTA TENSION Reubicando los cables de guarda, según este criterio se logran dos alternativas, simple o doble cable de guarda. La ubicación resultante puede ser la que se muestra en la figura 1.5. FIGURA 1.5 ZONA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGÚN CHARLES PARA SIMPLE Y DOBLE CABLE.

Es interesante destacar que según este método, se evita colocar una estructura adicional para soportar los cables de guarda. Esto reafirma que el criterio es muy poco severo. 3.1.2.- Wagner y Mac Cann De forma similar al criterio anterior, ciertos autores consideran que los cables de guarda protege un ángulo α= 30º con la vertical, esto resulta en una ubicación más elevada del cable de guarda. El apantallamiento que brindan los cables de guarda según este criterio se puede ver en la figura 1.6, se observa que solamente las fases laterales resultan protegidas. FIGURA 1.6

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TECNICAS DE ALTA TENSION ZONA DE PROTECCIÓN CONTRA DESCARGAS DIRECTAS SEGÚN WAGNER Y MAC CANN

Aplicando este criterio se podría reubicar los cables de guarda, para que resulten protegidos todos los conductores, tal y como se muestra en la figura 1.7. FIGURA 1.7 REUBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDA SEGÚN WAGNER Y MAC CANN. EN LA PARTE SUPERIOR DE LA TORRE SE INDICA CON LÍNEA PUNTEADA LA UBICACIÓN ORIGINAL DEL HILO DE GUARDA

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3.1.3 Schwaiger Este método considera que cuando una descarga atmosférica se aproxima a la tierra, este alcanza una altura H (medida desde el suelo), la cual elige para caer el punto conectado a tierra más cercano. Teniendo en cuenta la afirmación anterior se puede determinar una altura h a la cual instalar un elemento captador, de forma tal de proporcionar una zona de protección. FIGURA 1.8 CRITERIO SCHWAIGER, CONSTRUCCIÓN TEÓRICA

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El autor del método toma la relación H/h = 1 siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guarda. La zona de protección resultante queda determinada por un cuarto de circunferencia de radio h, como se puede ver en la figura 1.8, de modo tal que resultará protegido lo que se encuentre por debajo de esta. Según este criterio los cables de guarda de las líneas de transmisión, protegen una zona delimitada por una circunferencia con un radio igual a la altura del hilo de guarda, tal y como se puede ver en la figura 1.9, los conductores de potencia no se encuentran protegidos. FIGURA 1.9 ZONA DE PROTECCIÓN SCHWAIGER

CONTRA

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DESCARGAS

DIRECTAS

SEGÚN

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Se puede determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guarda, según este criterio, para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se calcula la altura mediante la siguiente ecuación:

3.1.4 Langrehr Este criterio hace exactamente las mismas consideraciones teóricas que el anterior (Schwaiger), pero toma la relación H/h=2, siendo H el punto donde se encuentra la punta del rayo, y h la altura del cable de guarda. De esta manera la zona de protección resulta delimitada por un cuarto de circunferencia de radio 2h. Aplicando este criterio, la zona de protección resulta delimitada por una circunferencia de 2h [m] y como se puede ver en la Figura 1.10, solamente resultan protegidas las fases exteriores. Un resultado curioso se obtiene al determinar la altura a la que deberían instalarse los cables de guarda según este criterio para lograr que los conductores de potencia resulten protegidos. Para esto se utiliza la siguiente ecuación: MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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El resultado indica que el cable de guarda se debe instalar a una altura 10cm. Por debajo de su ubicación real. De modo tal que para proteger a la línea según este criterio solamente se deberían desplazar los cables de guarda un valor a hacia el centro de la torre. Esto está indicado en la Figura 1.11. Otro aspecto interesante a destacar, es la similitud de este criterio con el de Wagner y Mac Cann (30º), ya que ambos proporcionan una zona de protección muy parecida.

FIGURA 1.11

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TECNICAS DE ALTA TENSION REUBICACIÓN DEL CABLE DE GUARDA SEGÚN LANGREHR, SE MUESTRA EL DESPLAZAMIENTO REALIZADO Y UNA NUEVA ESTRUCTURA DE SOPORTE.

3.2.- MODELO ELECTROGEOMÉTRICO (*6) El objetivo de este modelo es determinar el punto de impacto de una descarga teniendo en cuenta su intensidad máxima de corriente y la localización del canal de esta descarga, que se supone tiene una trayectoria vertical. Al acercarse una descarga a tierra hay un momento en que se supera la rigidez dieléctrica del aire y se produce el salto hacia el objeto más cercano, que puede ser un árbol, una línea o la misma tierra. La distancia de ruptura, o distancia a la que salta el arco, depende de la magnitud de la corriente de la descarga. Sin embargo, en general la distancia de ruptura de un conductor en la cima de una torre difiere de la distancia de ruptura a la tierra. Esto es obvio dado que la pendiente de una descarga con electrodos punta-plano (líder descendente que conecta con la tierra) difiere de la pendiente de una descarga con electrodos punta-punta (el líder descendente conecta a la torre). Así, en general, existen al menos dos distancias de ruptura, una a los conductores de fase o los cables de tierra rc, y otra a la tierra rg, ver Figura 1.12. FIGURA 1.12 MODELO ELECTROGEOMÉTRICO PARA UN SOLO CABLE.

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Nótese que las distancias de atracción al conductor de fase y al cable de guarda son supuestas iguales. En la realidad, la intensificación del campo eléctrico entre nube y tierra produce distancias de atracción diferentes para el plano de tierra con respecto a las de los conductores, e IEEE ha sugerido utilizar las siguientes ecuaciones para calcular estas distancias en los dos casos:

Donde yc es la altura promedio del conductor en metros, dada por la altura de la torre menos dos tercios de la flecha a medio claro. FIGURA 1.13 IDENTIFICACIÓN DE LA FLECHA.

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Estas ecuaciones son las que mejor se aproximan a la realidad puesto que, toma muy en consideración la distancia o altura de la torre y esta a su vez depende del nivel de voltaje de transmisión. El sobrevoltaje originado por una descarga origina contorneo si su valor es superior al nivel de aislamiento. Al menor valor de la intensidad de corriente que causa contorneo se le denomina intensidad de corriente crítica (Ic). Según CIGRE, la descarga de corriente más baja es 3 kA. Sin embargo, otros investigadores creen más razonable bajar hasta valores de 1 o 2 kA. Sin embargo, el número de descargas con corrientes de cresta entre 0 y 3 kA. es muy reducido frente al número de descargas totales que impactan en una línea aérea.

3.3.- COMPARACIÓN ENTRE LOS MÉTODOS CLÁSICOS Y EL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO Ya habiendo revisado, a breves rasgos, las características de cada uno de los métodos para el cálculo de la ubicación del hilo de guarda se puede tener claro que los métodos convencionales o clásicos tienen un criterio de ángulos poco respaldado y no toman en cuenta variables significativas como la corriente de descarga. Así también en cada uno de los métodos se puede destacar algunas falencias: MAMANI RODRIGO ELMAN OSCAR

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Charles.- Este es un criterio poco severo, ya que permite ubicar al cable de guarda a una menor altura lo cual podría ocasionar una falla en el apantallamiento, dependiendo de la corriente de la descarga. Wagner y Mac Cann.- A pesar de que este criterio recomienda un menor ángulo (30º) y por tanto una mayor altura en cuanto a ubicación del hilo de guarda y muchas veces podría ser un desperdicio en altura, su cono de protección es menor, sin embargo no se garantiza que las líneas se encuentren protegidas ante todas las descargas. Schwaiger.- En cuanto a este criterio no se podría determinar a ciencia cierta el punto de desfogue a tierra del rayo, considerando que este punto se encuentra a una altura bastante elevada por lo que este método resulta impracticable desde un punto de vista técnico económico. Langrehr.- Este criterio tiene similitud con el criterio de Wagner y Mac Cann, por lo cual las consideraciones antes mencionadas son aplicables en este método también.

En cuanto al Modelo Electrogeométrico, se ha considera un método más seguro en cuanto a protección de líneas, ya que este involucra ciertas características de las descargas atmosféricas como son la corriente y el nivel ceraunico, este método está basado en extrapolación de resultados de ensayos de laboratorio, con métodos teóricos dando así una expresión matemática para verificar que la ubicación del hilo de guarda sea la apropiada.

4.- EL CABLE DE GUARDIA CON FIBRAS ÓPTICAS (OPGW) Hace un tiempo describimos las características de la construcción de una línea eléctrica en Argentina y se especificó el uso de cables de guardia de fibra optica OPGW. Ahora profundizaremos en la utilización de esta tecnología. Es la mejor solución técnica para la transmisión digital dadas la buena protección del cable y la alta disponibilidad del sistema que puede obtenerse. Se recomienda su utilización cuando se trate de una línea eléctrica nueva, dado que la diferencia de valor con un hilo de guardia convencional radica solamente en el costo diferencial de la provisión del material. Se aconseja como reemplazo del hilo de guardia existente, cuando deban preverse cortes de línea de cierto lapso de tiempo, o se prevean grados de dificultad en las obras que hagan útil la independencia de las comunicaciones, teleprotección y otros.

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TECNICAS DE ALTA TENSION Es de uso cada vez más frecuente compartir el uso del OPGW con prestadores de servicio de transmisión de datos y/o telefónicos, a partir de la desregulación de los servicios. Las necesidades de comunicación de las empresas del área eléctrica son normalmente satisfechas con un solo cable de fibra óptica, pudiendo usarse como segundo hilo de guardia el de acero convencional. Sin embargo, dada la conveniencia antes mencionada de compartir servicios interurbanos de transmisión de voz y/o datos y/o videos, con otros carriers, se recomienda la conveniencia de considerar la instalación de sendos OPGW. Tanto en el caso de reemplazar el hilo de guardia existente por un OPGW, así como en el caso de instalar uno nuevo, debe analizarse el efecto sobre las estructuras soporte de la línea, dadas las diferencias de peso, tiro y efectos agregados que trae aparejadas (situación ésta que no es crítica en un hilo de guardia tradicional).      

Se recomienda tener en cuenta: Nuevas tensiones de tiro axial. Nuevos esfuerzos sobre torres. Vibraciones por efecto del viento. Mayor carga por hielo. Vibraciones por deshielo.

El tendido y flechado de un cable de OPWG debe requerir cuidado para reducir al máximo los efectos negativos de:    

La torsión en el cable y en las fibras. El doblado del cable. La compresión y la tracción. La pérdida de estanqueidad durante el proceso de instalación.

Deben fijarse mayores exigencias para la amortiguación de vibraciones mediante stockbridges, pues el cable de fibra óptica es mucho más sensible a las consecuencias de las vibraciones por las microcurvaturas que sufren las fibras durante las oscilaciones. Deberá efectuarse un modelado y estudio de las vibraciones para limitar los valores máximos y fijar las condiciones de amortiguación. Deberán fijarse las condiciones para la medición de las vibraciones luego de la puesta en servicio, (típicamente cada dos años) para comprobación de los cálculos realizados y luego durante el servicio para mantener protegida las condiciones de trabajo de las fibras.

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5.- FORMULACIÓN DEL MODELO PARA EL APANTALLAMIENTO DE LAS LÍNEAS DE TRANSMISIÓN En el análisis expuesto en el capítulo 1, se han considerado los métodos existentes para el cálculo de apantallamiento, así como también de por qué se escogió el modelo Electrogeométrico, tomando en cuenta esos criterios es que se puede arrancar con el análisis del modelo antes mencionado. El modelo Electrogeométrico está basado en la construcción de arcos con centro en los hilos de guarda y los hilos de fase, dando una similitud de “paraguas” ubicados a lo largo de toda la trayectoria de la línea, considerado para esto una distancia de arqueo (que se mencionará más adelante), la intersección formada entre los “paraguas” o escudos de cada hilo indica si las fases se encuentran protegidas o por el contrario expuestas, el objetivo del apantallamiento, en este caso hilo de guarda, es cubrir, con el escudo, a todas y cada una de las fases existentes, con esto se consigue que toda descarga que caiga y pase junto a estas o intente impactarlos sea atrapada por el hilo de guarda para luego ser dirigida a tierra.

5.1 COMO MEDIR LOS PARÁMETROS DEL RAYO (*1) El rayo por ser una corriente eléctrica variable produce un campo electromagnético irradiado. Este campo aparece como perturbador de los sistemas que presentan lazos o bucles de conducción. La frecuencia equivalente del campo se ubica en la gama de las ondas de gran amplitud por tal motivo es difícil de producir un blindaje para evitar su acción. Los receptores de radio, de amplitud modulada (kHz), receptan las ondas de este campo aún dentro de los edificios. Una forma de medir los parámetros del rayo es aprovechar este campo electromagnético, captándolo y registrándolo como oscilograma con una base de tiempo exacta y precisa que permita la discriminación de variaciones en una décima de microsegundo (10-7 s). La antena de donde parte el campo electromagnético es el canal ionizado, que en el caso de las descargas nube– suelo, se puede asimilar a un conductor rectilíneo aproximadamente vertical de gran longitud (3 ó 4 km). En una aproximación simplificada, podemos aceptar que para una distancia “d” suficientemente alejada del lugar de impacto, la intensidad de campo magnético H[A/m] está dada por la ley de Ampère.

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a una distancia r [m] de un alambre rectilíneo infinitamente largo, por el que circula la corriente I [A]. FIGURA 2.1 CAMPO MAGNÉTICO GENERADO POR LA CORRIENTE DEL RAYO

Si la descarga es vertical, el campo será esencialmente horizontal. El lazo o espira que concatene las líneas de este campo debe ser vertical. En esta condición la tensión inducida según la ley de Lenz será: (*1)

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TECNICAS DE ALTA TENSION Debemos tener en cuenta que en tiempo tormentoso las nubes se cargan y se desplazan caprichosamente a merced del viento, los campos eléctricos pueden crecer de tal modo que ocasionen descargas verticales, horizontales o inclinadas en cualquier dirección con respecto al plano horizontal donde se ubica la estación observadora. Para poder discernir el tipo de descarga ocurrida debemos disponer mínimamente de tres elementos receptores orientados según un sistema de ejes coordenados para captar en ellos la información simultáneamente, procesando luego cada información como una componente para obtener la resultante.

6.- FORMA TEÓRICA DEL IMPULSO DE CORRIENTE EN DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (*1) En ingeniería para el análisis del comportamiento de fenómenos naturales se trata de establecer un modelo, siempre de validez restringida y resulta muy agradable finalmente poder explicitar el comportamiento de ese modelo mediante una expresión matemática. El modelo servirá finalmente de simulador para sacar conclusiones y adoptar medidas que permitan aprovechar las buenas consecuencias del fenómeno y evitar o atenuar las malas consecuencias. En el caso de la corriente de impulso en una descarga atmosférica, la expresión matemática propuesta para graficar sus valores en función del tiempo es:

Esta expresión sirve para graficar tanto el impulso positivo como el negativo y los impulsos subsiguientes.

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Por supuesto que la forma real de la corriente debido a una descarga atmosférica difiere de este modelo matemático, pudiéndose constatar en los registros oscilográficos la superposición de oscilaciones de mayor frecuencia y amplitud variable sobre esta forma pura exponencial con doble constante de tiempo. Sin tener en cuenta las oscilaciones de alta frecuencia se puede apreciar un primer frente de elevada pendiente de la corriente, con una duración de algunos μs (hasta 20 μs como máximo). Una vez alcanzado el valor máximo la corriente decrece en forma exponencial con una constante de tiempo mayor, durante un tiempo de algunas decenas de microsegundos (hasta 100 ó 150 μs como máximo). Dada la gran variabilidad de cada uno de los parámetros eléctricos de una descarga, se recurre a representaciones que indican el % de probabilidad que tal valor sea superado en función de una escala de valores. Tomamos como ejemplo los valores que propone la CIGRE (Conferencia Internacional de Grandes Redes Eléctricas), y el IEEE, para dos magnitudes muy significativas en la “caída de un rayo”:

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Se notan discrepancias entre valores propuestos por distintos autores, atribuibles muy posiblemente a las distintas experiencias que sirvieron como fuente de datos. De cualquier forma estos valores sirven como marco de referencia para aceptar valores, que uno mismo pueda obtener, en las mediciones que realice dentro de sus propias experiencias de campo.

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CONCLUSIONES Las descargas atmosféricas en líneas de distribución constituyen un gran porcentaje de las fallas en el sistema y en los equipos a este nivel de tensión, debido a su bajo nivel de aislamiento. Las descargas directas en líneas de distribución exigen fuertemente del aislamiento interno de los aisladores, cuando la tasa de crecimiento de la corriente incidente es alta, lo cual ocurre con mucha frecuencia. Los aislamientos de equipos y aisladores, están más expuestos a daños en postes terminales o de derivaciones de ramales. El cable de guarda es recomendable en líneas de distribución, no tanto por su efecto de apantallamiento contra descargas directas (contra las cuales no es muy efectivo), sino por su blindaje contra descargas indirectas, las cuales producen cerca del 80% de los daños y salidas de líneas de distribución. El efecto del cable de guarda se ve mejorado apreciablemente por una buena puesta a tierra de los mismos, la cual se recomienda hacer en cada poste con un valor de resistencia de puesta a tierra no mayor de 20 Ω. El cable de guarda en líneas de distribución debe ubicarse tan alejado como se pueda de los conductores de fase, para lo cual el ángulo de apantallamiento no debe ser en ningún caso mayor de 30º. Los aisladores de los postes terminales y derivaciones podrían protegerse con cuernos saltachispas, para evitar ruptura interna antes descargas rápidas. Se recomienda que en el recorrido de la línea, en áreas urbanas, la máxima distancia entre pararrayos no supere los 200 mts. Es importante que en todos los casos, los transformadores de distribución tengan pararrayos con una puesta a tierra no mayor de 10Ω y que se conecten los neutros de los transformadores a la bajante a tierra del pararrayos, con una conexión tan corta como se pueda.

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BIBLIOGRAFIA  

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Bibliografía (1) Yokoyama, Miyake, Mitani “Advanced observations of lighting induced voltage on Power Distribution lines” IEEE TPAS, vol. PWRO – 1, No. 2, april 1986, pags. 129-139. (2) Uehara, OUA “Investigation of lighting damages of distribution lines”. IEEE TPAS, vol PAS-87,No. 4, april 1968, pags. 1018-1025. (3) Nagano, Masuda, Nara, Inoue “Measurements of steep front lighting voltages on distribution lines”, IEEE TPAS, vol. PAS-102, No. 6, June 1983, pags. 1598-1606. (4) Erikssom, Stringfellow, Meal “Lighting induced overvoltages on overhead distribution lines”. IEEE TPAS, vol PAS-101, No. 4, April 1982, pags. 960966.

ANEXOS ACCESORIOS de HILO de GUARDIA y CONDUCTOR para ESTACIONES TRANSFORMADORAS y LÍNEAS de TRANSMISIÓN

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