COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE MANIOBRA DE 230 KV

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO EN UNA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA DE MANIOBRA DE 230 KV

TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA

PRESENTA:

JORGE MARTÍNEZ MENDOZA

México, D.F. 2010

AGRADECIMIENTOS A Dios, por darme la oportunidad de terminar la carrera y mostrarme que hay un mañana por el cual seguir adelante, prepararse y ser mejor A padres, Nemesio Jorge Martínez Oliva y María del Carmen Mendoza Martínez quienes siempre me dieron su apoyo y confianza incondicionalmente en todo momento y principalmente cuando más los he necesitado. A hermano Juan José Martínez Mendoza que a pesar de todo siempre cree en mí y dice que puedo salir adelante, y a mis hermanas Ana B. Martínez Mendoza e Adriana Martínez Mendoza que me recuerdan que somos una familia. Al ingeniero Raúl Méndez Albores, por su asesoría, apoyo y confianza en la elaboración de este trabajo. Al ingeniero Sandra C. Hernández Silva, por todo su apoyo, tiempo y consejos que ayudaron a culminar este trabajo. Al ingeniero Efraín Moreno que me ha apoyado y demostrado que la ingeniería es más que solo un trabajo, es una forma de vida digna. Y a todas las personas que han hecho posible la realización de este trabajo, que me han apoyado moral y físicamente y especialmente a ti Gabriela Vásquez Banda que me has mostrado que la vida es bella.

OBJETIVO: Desarrollar diferentes técnicas referentes a la coordinación de aislamiento, aplicándolos a una subestación eléctrica de maniobra, para obtener diferentes alternativas de selección y aplicación.

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

ÍNDICE LISTADO DE FIGURAS LISTADO DE TABLAS INTRODUCCIÓN………………………………………………………………....I CAPÍTULO I. DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN CONTRA SOBRTETENSIONES. I.1. HILOS DE GUARDA……………………………………………………………..3 I.2. BAYONETAS……………………………………………………………………..3 I.3. CUERNOS DE ARQUEO………………………………………………………..3 I.4. APARTARRAYOS………………………………………………………………..3 I.5. PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE APARTARRAYOS Y SUS CARACTERÍSTICAS PROPIAS………………………………………………12

CAPÍTULO II. APLICACIÓN DE LAS NORMAS DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. II.1. APLICACIÓN DE LAS NORMAS DE COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO NMX-J-150/1 Y 2 E IEC 60071-1 Y 2……………………11 II.2. GENERALIDADES….………………………………………………………….13 II.3. DETERMINACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES REPRESENTATIVAS (URP)………………………………………….………13 II.4. DETERMINACIÓN DE LAS TENSIONES DE AGUANTE DE COORDINACIÓN (UCW)……………………………………………………...14 II.5. TENSIONES DE AGUANTE REQUERIDAS…………………………….…..15 II.6. TENSIONES DE AGUANTE NORMALIZADAS……………………………..16 II.7. TENSIONES DE AGUANTE NORMALIZADAS Y PROCEDIMIENTOS DE PRUEBA…………………………………………....16 II.8. FACTORES DE CONVERSIÓN DE PRUEBA………………………………16

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

CAPÍTULO III. FILOSOFÍA DE DIMENSIONAMIENTO DE LOS AISLAMIENTOS. III1. EL AISLAMIENTO………………………………………………………………22 III.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS AISLAMIENTOS…………………………...22 III.3. AISLAMIENTOS LÍQUIDOS Y GASEOSOS………………………………..23

CAPÍTULO IV. EJEMPLO DEL CÁLCULO DE LA COORDINACIÓN DE LA SUBESTACIÓN ELÉCTRICA AISLAMIENTO EJIDO SAN LUIS. IV.1. CÁLCULO DE SOBRETENSIONES TEMPORALES A LA FRECUENCIA DEL SISTEMA…………………………………………………26 IV.2. TENSIONES DE AGUANTE DE COORDINACIÓN………………………..29 IV.3. TENSIONES DE AGUANTE REQUERIDAS..………………………….…..31 IV.4. TENSIONES DE AGUANTE NORMALIZADAS...………………………….34 IV.5. CÁLCULO DE DISTANCIA DIELÉCTRICAS………………...……………..37 IV.6. CÁLCULO DE LA CADENA DE AISLADORES…………………………….41 IV.7. ALTURA MÍNIMA DE BASE SOBRE EL NIVEL DEL SUELO……………43 IV.8. ALTURA MÍNIMA DE LOS EQUIPOS CORREGIDA A 10 MSNM…….…43 IV.9. ALTURA MÍNIMA DE LA LLEGADA DE LAS LÍNEAS CORREGIDA A 10 MSNM………..…………………………………………………………....43 IV.10. MODELO DE DISEÑO POR CONTAMINACIÓN (MÉTODO DESD)......44 IV. 11. MÉTODOS DE BLINDAJE ELECTROSTÁTICO…………………………58 IV.12. MÉTODO DEL MODELO ELECTROGEOMÉTRICO…………………….67 IV.13. MÉTODO GRÁFICO DE WAGNER………………………………………..80

CAPÍTULO V. APLICACIÓN Y SELECCIÓN DE APARTARRAYOS. V.1. APLICACIÓN Y SELECCIÓN DE APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS…………………………………………….…………..97 V.2. SELECCIÓN DE LOS APARTARRAYOS DE ÓXIDOS METÁLICOS……97 V.3. CÁLCULO Y SELECCIÓN DEL APARTARRAYOS……………………......98

NOMENCLATURA UTILIZADA……………………………….…………...104 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………..106 APÉNDICE A……………………………………………………………………..107 APÉNDICE B……………………………………………………………………..112 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………….……………..130

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

LISTADO DE FIGURAS Figura 1. Análisis de Sobretensiones………………………………………….…….1 Figura 2. Apartarrayos en Línea de Transmisión…………………………….........4 Figura 3. Apartarrayos de Óxidos Metálicos……………………………………...10 Figura 4. Diagrama de Flujo para la Determinación del Nivel de Aislamiento………………………………………………………….....12 Figura 5. Interruptor Automático de SF6 Tipo HPL……..……………………......24 Figura 6. Análisis de la Coordinación de Aislamiento…………………………....25 Figura 7. Gama de las Sobretensiones de Frente Lento 2 % en el Extremo Receptor Debidas a la Energización y Reenergización……27 Figura 8. Relación entre los Valores 2 % de las Sobretensiones de Frente Lento de Fase a Fase Y de Fase a Tierra……………………..27 Figura 9. Valores del Exponente "M" para la Corrección de la Tensión Nominal de Impulso de Maniobra Para Coordinación………………...32 Figura 9. Valores del Exponente "M" Para la Corrección de la Tensión Nominal de Impulso de Maniobra para Coordinación…………………38 Figura 10. Aislador de Vidrio Templado Tipo Suspensión con Calavera y Bola (Niebla) de 280 X 146 mm, Distancia de Fuga 445 mm…....41 Figura 10. Aislador de Vidrio Templado Tipo Suspensión con Calavera y Bola (Niebla). de 280 X 146 mm, Distancia de Fuga 445 mm……51 Figura 11. Modelo para el Cálculo de Diseño por Contaminación……………...44 Figura 12. Mapa, Regiones de Contaminación en el País………………………46 Figura 13. Mapa, Altimetría y Orografía en el País…………………………..…..46 Figura 14. Mapa, Extrapolación de las Regiones de Contaminación en el País…………………………………………………………….…...47 Figura 15.Organigrama: Indica Tanto la Geografía y el Clima, como las Características del Comportamiento de la Contaminación……….....47 Figura 16. Histograma: Muestra como Varía la Acumulación de Contaminación Durante el Año………………………………………...48 Figura 17. Gráfica, Muestra la Dinámica de Acumulación de Contaminación Durante el Tiempo…………………………………….48 Figura 18. Gráfica, Comportamiento de los Aisladores para Subestaciones Eléctricas (DES mg/cm2)……………………………..52 Figura 19. Gráfica. Factor de Corrección por Proporción de Sales A Diferentes Niveles de Contaminación………………………………...53 Figura 20. Gráfica. Factor de Corrección por Densidad de Material Insoluble (Mg/Cm²)……………………………………………………..54 Figura 21. Zona de Protección con Un Solo Hilo de Guarda…………………....58 Figura 22. Zona de Protección con Dos Hilos de Guarda…………………….....59 Figura 23. Zona de Protección con Un Solo Hilo de Guarda……………………59 Figura 24. Zona de Equipo entre Estructuras con Hilo de Guarda……………..60 Figura 25. Blindaje con Una Bayoneta…………………………………………….61 Figura 26. Blindaje con Dos Bayonetas……………………………………………62 Figura 27. Blindaje con Una Bayoneta, Método de los Ángulos Fijos IEEE..…63 Figura 28. Blindaje con Una Bayoneta, Método de los Ángulos Fijos CFE…...65 Figura 29. Separación Máxima (T), que Puede Haber entre la Bayoneta al Bus Protegido………………………………………………………...70

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. Figura 30. a) Y b) Distancia Horizontal del Bus Protegido al Origen de la Esfera Rodante, c) Separación Máxima entre Dos Bayonetas……72 Figura 31. a) Elevación entre el Origen del Esfera y la Elevación de las Bayonetas, b) Distancia Diagonal entre Bayonetas cuando la Esfera Rodante es Soportada por 4 Bayonetas……………………..75 Figura 32. Protección (C), Ofrecida por Un Hilo de Guarda (H.G.)…………….76 Figura 33. Protección de 3 Bayonetas para una Subestación Eléctrica De 230 kV ., a) Distancia Entre Bayonetas Cuando la Esfera es Soportada por 3 Bayonetas, b) Distancia Máxima entre Bayonetas para Descargas Verticales Cuando la Esfera es Soportada por 3 Bayonetas………………………………………….....77 Figura 34. Protección de Un Bus por Dos Bayoneta en Una Subestación Eléctrica de 230 Kv……………………………………………………...78 Figura 35. Área Protegida de la Subestación Eléctrica Ejido San Luis………...79 Figura 36. Gráfica A.1 Protección de un Objeto Expuesto por Una Bayoneta…................................................................................80 Figura 37. Gráfica A. 2 Anillo de Protección de Una Bayoneta para Objetos Expuestos………………………………………………………81 Figura 38. Gráfica A.3 Protección de un Objeto Expuesto por Dos Bayonetas………………………………………………………………...82 Figura 39. Gráfica A.4 Protección de un Objeto Expuesto por Dos Bayonetas (s´=0.5s)……………………………………………………..82 Figura 40. Gráfica A.5 Protección de Un Hilo de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos………………………………………………..83 Figura 41. Gráfica A.6 Protección de Dos Hilos de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos…………………………………83 Figura 42. Protección de una bayoneta para un objeto expuesto………………86 Figura 43. Anillo de Protección de Una Bayoneta para Objetos Expuestos…..88 Figura 44. Protección de dos Bayonetas para Un Objeto Expuesto……………60 Figura 45. Protección de Dos Bayonetas para Objetos Expuestos…………….91 Figura 46. Protección de Un Hilo de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos (Bus)…………………………………………………………93 Figura 47. Protección de Dos Hilos de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos (Bus)……………………………………….....95 Figura 48. Relación de R0/X1 Y X0/X1 para Diversos Valores del Factor de Falla a Tierra K Cuando R1 = 0……………………………………….103

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO.

LISTADO DE TABLAS. Tabla 1.- Clases de Esfuerzos de Tensiones y Sobretensiones…………..……..2 Tabla 2 - Características Eléctricas de los Apartarrayos Clase II…………...…...8 Tabla 3 - Características Eléctricas de los Apartarrayos Clase III Y IV..........….8 Tabla 4. Tabla de Normas Aplicables a la Coordinación de Aislamiento……...11 Tabla 5. Niveles de Aislamiento Normalizados para Equipo de la Categoría I (1)……………………………………………………………….18 Tabla 6. Niveles de Aislamiento Normalizados para Equipos de la Categoría II (1)………………………………………………………………19 Tabla 7. Factores de Conversión de Prueba en la Categoría I para Convertir las Tensiones de Aguante Requeridas de Impulso por Maniobra a Tensiones de Aguante de Corta Duración a 60 Hz y a Tensiones de Aguante de Impulso por Rayo…………….....20 Tabla 8.- Factores de Conversión de Prueba en la Categoría II para Convertir la Tensión de Aguante Requerida de Corta Duración a 60 Hz a Tensión de Aguante de Impulso por Maniobra…………....21 Tabla 9. Sobretensiones de Frente Lento de Aislamientos Internos y Externos………………………………………………………..28 Tabla 10. Ejemplo de Coordinación de Aislamiento para la Subestación Ejido San Luis de Vm= 245 Kv……………………………………….…36 Tabla 11. Proporciona los Criterios de Diseño y sus Valores………………...…49 Tabla 12. Nivel de Contaminación……………………………………………….…50 Tabla 13. Tipo de Contaminación……………………………………………….….50 Tabla 14. Tabla de Resultados Método DESD…………………………………...56 Tabla 15. Tabla Comparativa de Resultados Métodos DESD e IEC…….…….57 Tabla 16. Cobertura de Protección X en Función de la Altura de La Bayoneta a Diferentes Ángulos de Protección…………………….….65 Tabla 17. Cobertura de Protección (X) en Función de la Altura de Uno y Dos Hilos de Guarda (H.G.)……………………………………….….67 Tabla 18. Radios de Protección para Objetos Protegidos por Una Bayoneta…………………………………………………………….85 Tabla 19. Radios del Anillo de Protección para Objetos Protegidos por Una Bayoneta………………………………………………………..87 Tabla 20. Radios de Protección para Objetos Protegidos por Dos Bayonetas……………………………………………………………89 Tabla 21. Radios de Protección para Objetos Protegidos por Dos Bayonetas usando (s= 0.5 de s) …..……………………...………91 Tabla 22. Radios de Protección de Un Hilo de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos (Bus)…………………………………………..92 Tabla 23. Radios de Protección de Dos Hilos de Guarda para Conductores Horizontales Expuestos (Bus)………………………………………..…94 Tabla 24. Radios Obtenidos por el Método de las Graficas de Wagner…........96

CAPÍTULO I. DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN.

Análisis De Sobretensiones.

Tensiones y sobretensiones Internas

A La Frecuencia Del Sistema

Externas

Temporales

Se originan por: -Fallas A Tierra. -Resonancia. -Ferroresonancia En Ctos. No Lineales. -Desconexión De Cargas Importantes -Desbocado Del Generador Por Rechazo De Carga. -Autoexitación Del Generador. -Mal Funcionamiento Del Equipo De Regulación.

Maniobra

Se Originan Por Apertura Y Cierre De: -LT´s. -Cables. -Capacitores En Derivación/Serie -Reactores En Derivación. -Transformadores. -Generadores/Motores -Salto De Arco En El Sistema. -Reencendido De C.C.

Rayo

Se Originan Por Descargas Atmosféricas

Internas

Frente Muy Rápido

Se Originan Solo En Subestaciones Eléctricas Que Funcionan Con Tecnología De Sf6

Figura 1. Análisis de Sobretensiones.

-1-

Tf = 250 µs Td = 2500 µs Prueba de impulso por maniobra

Td = 1 min Prueba a la frecuencia del sistema de corta duración

Td = (*)

Prueba a la frecuencia del sistema de larga duración

0.3 ≤Td≤ 30 ms

0.03 ≤t≤ 3600s

48 ≤t≤ 62 Hz

30 ≤Tf≤ 3000 µs

FRENTE – LENTO

50 ≤t≤ 500Hz

TEMPORAL

-2-

Tabla 1. Clases de Esfuerzos de Tensiones y Sobretensiones

Prueba de impulso por rayo

Td = 50 µs

Tf = 1.2 µs

3