Capitulo IV Coordinación de Aislamiento

Catedra: Alta Tensión II Capitulo III Tema: Coordinación de Aislamiento Profesor: Diego Aníbal Arias Cazco Carrera de Ingeniería Eléctrica Universidad Politécnica Salesiana

Coordinación de Aislamiento Introducción

Subestaciones al Aire Libre

Ensayos para Ensayos p ara aislamiento

Especificaciones frente a Disturbios

Los equipos e instalaciones eléctricas son sometidas a sobretensiones que pueden afectar su aislamiento. aislamiento. Un sobretensión es una solicitación variable en el tiempo cuyo valor máximo es superior al valor cresta de la tensión nominal del sistema. El estudio de una una sobretensión es elemental para determinar el nivel nivel de aislamiento que se debe seleccionar para los distintos componentes. Estas selección se debe realizar conociendo los comportamientos de los aislamientos frente a las sobretensiones. De igual manera la selección y ubicación de los distintos medios de protección se podrá realizar si se conoce el comportamiento frente a las sobretensiones. Determinar el aislamiento óptimo : -Consecuencias de la falla -Graduación de los aislamientos -Orden de riesgo de falla ( aislamiento no Auto-regenerable, Auto-regenerable, aislamiento auto-regenerable en una SS/EE, en una línea, etc. )

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Especificaciones frente a Disturbios

Conceptos: - Es el estudio de sobretensiones, la selección de aislamientos y dispositivos de protección. - Selección de la tensión soportada de los distintos equipos. - Según la norma UNE-EN 600071-1 define como la selección de la rigidez dieléctrica de los equipos en relación con las tensiones que pueden aparecer en el sistema, considerando las condiciones ambientales de servicio y las características de los equipos de protección.

La primera selección de la tensión soportada se puede basar en a siguiente fórmula: Tensión Soportada = Máxima Sobretensión Esfuerzos eléctricos no soportables económicamente :Rayo -Se aceptan fallas en los puntos menos críticos -En los puntos mas críticos se instalan dispositivos de protección

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Especificaciones frente a Disturbios

Objetivo de la coordinación del aislamiento :

El objetivo de la coordinación de aislamiento es la selección de un conjunto de tensiones soportadas normalizadas y la determinación de las distancias en el aire de forma que los equipos puedan soportar las solicitaciones dieléctricas a las que serán sometidas. Un procedimiento de coordinación de aislamiento debe tener en cuenta los factores que influyen en la soportabilidad del aislamiento: •

• •

• •

La polaridad de las sobretensiones La forma de onda de la sobre tensión El tipo de aislamiento Las condiciones atmosféricas (en caso de aislamiento externo) El estado físico que puede llegar a tener los equipos

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Clasificacion de la sobretensiones Introducción

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Sobretensiones Representavivas Introducción

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Para establecer una relación entre las sobretensiones reales y las formas de onda normalizada, se definen las Sobretensiones Representativas. Se trata de aquellas sobretensiones que se supone que producen el mismo efecto sobre el aislamiento que las sobretensiones de una determinada clase que aparecen en servicio. Tiene la forma normalizada de la clase correspondiente y pueden ser definidas por un valor, un conjunto de valores o una distribución estadística de valores.

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Metodos de Coordinacion de Aislamiento Introducción

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Existen dos métodos de coordinación del aislamiento: • •

Método Determinístico Método Estadístico

La aplicación de uno u otro dependerá de la información que se disponga sobre el sistema o instalación a estudiar y de la información que es posible estimar sobre las tensiones representativas.

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Procedimiento de Coordinacion de Aislamiento Introducción

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Procedimiento de acuerdo a la norma CEI:

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Procedimiento de Coordinacion de Aislamiento Introducción

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1. Estimación de la tensión representativa en los equipos o en la instalación a diseñar, tomando los dispositivos de protección instalados y el valor máximo de la tensión de operación: Para instalaciones de Gama I se analizan las sobretensiones temporales y la de origen atmosférico. Para instalaciones de Gama II se analizan las sobretensiones de frente lento y las de origen atmosférico. 2. Se determina la tensión soportada de coordinación, que es la tensión soportada que cumple los criterios de diseño en las condiciones de servicio en la q funcionaran los equipos. La selección de la tensión soportada de coordinación se basa en la tasa de riesgo aceptada y su cálculo se realiza multiplicando la tensión representativa por el factor de coordinación Kc, cuyo valor depende de tipo de aislamiento (auto regenerable, no regenerable) y del metodo de coordinacion (deterministico, estadistico) que sea posible aplicar. 3. Tension soportada de •

•

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Procedimiento de Coordinacion de Aislamiento Introducción

3.

4.

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Tensión soportada de coordinación es la tensión soportada especifica o requerida, que es la tensión normalizada de ensayo que el aislamiento debe soportar para asegurar que cumple el criterio de diseño. La tensión soportada especifica se obtiene multiplicando la tensión soportada de coordinación por un  factor de seguridad Ks,  que compensa las condiciones reales de servicio y las de ensayo a tensiones soportadas normalizadas. En el caso de aislamiento externo también se aplica un  factor de corrección atmosférico Ka, que tenga en cuenta las diferencias entre las condiciones ambientales de servicio y las normalizadas. Se selecciona el conjunto de tensiones soportadas normalizadas que satisfacen las tensiones soportadas especificas. La tensión soportada normalizada en la tensión aplicado en un ensayo de tensión normalizado, y su selección permite justificar que su aislamiento soportará las tensiones soportadas especificadas que fueron estimadas en el caso anterior. A tensión soportada normalizada puede elegirse para la misma forma normalizada que la tensión soportada especificada (Continua, tipo maniobra, tipo rayo) o para una forma de onda distinta mediante la aplicación del

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Procedimiento de Coordinacion de Aislamiento Introducción

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5. Finalmente, se selecciona el nivel de aislamiento normalizado, es decir el nivel de aislamiento asignado cuyas tensiones soportadas normalizadas están asociadas a la tensión de operación mas elevada según la clasificación de la norma CEI.

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Diseño del aislamiento externo de líneas y subestaciones Introducción

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Diseño de intervalos de aire y líneas de fuga de aisladores : -Parámetros que definen las aislaciones externas. Valores mínimos admisibles de : Dm : Intervalo de aire conductor-masa Lf : Línea de fuga de aisladores Dg : Intervalo de aire conductor-cable de guardia Dc : Intervalo de aire entre conductores -Primero se determinan los intervalos mínimos de aire -Luego se escogen los aisladores (esfuerzos dieléctricos y climáticos) - Se debe considerar separadamente los intervalos de aire y los aisladores -Cadenas de aisladores limpias : descarga el intervalo -Cadenas sucias y en presencia de humedad : la tensión soportada depende del aislador y contaminación

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Magnitudes características de las tensiones soportadas por los intervalos de aire Introducción

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-No se puede determinar teóricamente la tensión soportada por un intervalo de aire o aislador -Se debe recurrir a fórmulas empíricas obtenidas mediante ensayos de laboratorio -En los ensayos se deben simular los esfuerzos eléctricos y climáticos (Publicación CEI 60)

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Tensión media de descarga con frecuencia industrial de un intervalo de aire Introducción

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-Este ensayo es posible por tratarse de una aislación auto-regenerable -Se realiza un ensayo de tensión de descarga disruptiva asegurada -El método consiste en aplicar una tensión sinusoidal de amplitud creciente hasta producir la descarga del intervalo, midiendo la tensión de descarga Ui

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Ensayos con impulso de rayo Introducción

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La experiencia indica que basta usar un impulso con : T1 = 1.2 us T2 = 50 us

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Voltaje soportado por los intervalos de aire Introducción

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-Se han realizado muchos ensayos y estudios para aclarar el fenómeno y obtener fórmulas físicas pero han resultado infructuosos -Por el momento sólo se dispone de fórmulas empíricas basadas en muchos datos experimentales

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Factores que influyen en el voltaje soportado Introducción

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-Naturaleza y forma de onda de la tensión -Configuración geométrica del intervalo : forma, dimensiones, disposición de electrodos, etc. -Características del medio : presión, temperatura, lluvia, viento, neblina.

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Influencia de las características del medio Introducción

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 No vale la pena tomar en cuenta factores climáticos como lluvia, neblina, humedad : ° Para un país templado la influencia de estos factores es inferior a ~ 4% ° Como los ensayos son convencionales una precisión mayor sería ilusoria -Sólo vale la pena corregir por altura ~ 0.5 % por cada 100 m

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Voltaje soportado con frecuencia industrial Introducción

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-Tensión media de descarga 3.400 Umed = k 1 -----------1+ 8 / d

kV cresta

k 1 : factor de intervalo (coeficiente que depende de la geometría) d : distancia mas corta entre electrodos (en m)

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Diseño del aislamiento externo de líneas y subestaciones Introducción

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-Dispersión = 0.03 Umed -Prácticamente independiente de intervalo y distancia

-Tensión soportada UT UT = Umed-4 = 0.88 Umed -Se castiga fuertemente Umed por no estar relacionado directamente con UT

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Voltaje soportado con impulso de maniobra Introducción

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Impulsos de maniobra de duración crítica -Tensión U50

3.400 U50 = k 2 ----------1+8/d

kV de cresta

-k 2 : factor de intervalo -d : separación mínima entre electrodos, en m -Desviación estandar -Tensión soportada UT

s

= 0.05 U50

UT = U50 – 2.5s

=

0.88 U50

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Voltaje soportado con impulso de rayo Introducción

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-Tensión U50

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U50 = k 3 d = 360 + 150 k 2

k 3 : factor de intervalo d : separación mínima entre electrodos, en

-Desviación estandar -Tensión soportada UT

s

(kV cresta)

m

= 0.015 U50 UT = U50 – 2.5s = 0.96 U50

-Tensión soportada para descarga de retorno Se reduce U50 en 15% para tomar en cuenta la tensión instantánea de fase con polaridad opuesta

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Simulación de los esfuerzos climáticos Introducción

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Lluvia, presión, temperatura, contaminación, etc. a) Caso de los intervalos de aire : -El voltaje de descarga de los intervalos de aire aumenta al aumentar la densidad del aire o la humedad -Para humedades superiores a 80% el voltaje de descarga se hace errático debido a la condensación

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Factores de corrección : Norma CEI 60-1 Introducción

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Condiciones atmosféricas de referencia : -Temperatura t0 = 20 °C -Presión b0= 1.013*105 Pascal a 0 °C -Humedad h0= 11 gr de agua por m 3 de aire -Hay un factor de corrección por densidad de aire y otro por humedad -Para un país templado sólo vale la pena por altura (densidad del aire) ~ 0.5% por 100 m (la influencia de otros factores es < ± 4%)

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Caso de los Aisladores bajo lluvia Introducción

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-Tensión media de contorneo y tensión soportada a frecuencia industrial : la norma recomienda un ensayo  pero es poco representativo gasto = 1 a 2 mm de agua por minuto -La tensión de contorneo varía con la conductividad y gasto de la lluvia -La tensión media de descarga aumenta en forma menos que lineal con el número de aisladores tipo disco en serie - Se supone que UT = Umed – 4 s

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Tensión de contorneo con esfuerzos temporales y transitorios de frente lento y de frente rápido Introducción

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-Si se diseñan los aisladores para soportar una contaminación mínima con frecuencia industrial, no se presentan problemas con este tipo de esfuerzos

Contorneo de aisladores bajo contaminación: -En la actualidad se conocen bien las causas del contorneo de aisladores contaminados -Contaminación severa : zonas costeras e industriales

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Ensayo de aisladores con contaminación artificial Introducción

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-Método de la neblina salina : contaminante líquido -Método de kieselguhr : contaminante sólido seco humedecido durante el ensayo -Método de metilcelulosa :contaminante sólido húmedo -Medida de severidad de la contaminación : neblina salina, kg de sal por m3 de agua contaminante sólido, conductividad superficial -Se puede determinar la severidad de la contaminación artificial equivalente a un lugar determinado

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Tensión de contorneo de aisladores contaminados Introducción

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-Se determina la tensión media de contorneo y la tensión soportada de frecuencia industrial -Se ha verificado experimentalmente que el factor fundamental es la longitud de la línea de fuga -Se debe conocer además la severidad de la contaminación del lugar ( determinada experimentalmente o de Tabla de página siguiente) -Existe una tensión de contorneo por unidad de línea de fuga

Distancias recomendadas de contorneo Introducción

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