Estudio de Coordinación de Aislamiento

ESTUDIO DE COORDINACION DE AISLAMIENTO SUBESTACION SANTA TERESA 220 kV

MAYO DEL 2012

LIMA - PERU

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Estudio de Coordinación del Aislamiento – SE Santa Teresa 220 kV

ESTUDIO DE COORDINACION DEL AISLAMIENTO SUBESTACION SANTA TERESA 220 kV INDICE 1.

OBJETO ..................................................................................................................................... 4

2.

ALCANCE .................................................................................................................................. 4

3.

NORMAS APLICABLES ............................................................................................................ 4

4.

PARAMETROS DEL SISTEMA .................................................................................................. 4

5.

UBICACIÓN DEL PROYECTO ................................................................................................... 5

6.

CONFIGURACION DE LA SUBESTACIÓN ............................................................................... 5

7.

METODOLOGIA ......................................................................................................................... 5

8.

DEFINICIONES PREVIAS .......................................................................................................... 6

8.1

Coordinación del Aislamiento en Subestaciones tipo GIS .................................................... 6

8.2

Aislamiento Externo.................................................................................................................. 6

8.3

Aislamiento interno ................................................................................................................... 6

8.4

Aislamiento autorregenerable .................................................................................................. 6

8.5

Aislamiento no autorregenerable ............................................................................................ 6

8.6

Clasificación de Tensiones y Sobretensión ............................................................................ 6

8.7

Factores Utilizados ................................................................................................................... 7

8.8

Formas de Tensión Normalizadas ........................................................................................... 7

8.9

Sobretensión ............................................................................................................................. 8

8.10 Sobretensiones Representativas ............................................................................................. 8 8.11 Sobretensiones de Soportabilidad Requerida ........................................................................ 8 8.12 Sobretensión de Soportabilidad Normalizada ........................................................................ 8 9.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE AISLAMIENTO ........................................................... 8

9.1

Determinación de sobretensiones representativas (Urp) ...................................................... 8

9.2 Determinación de tensiones soportadas de coordinación (UCW) ...................................... 12 8.2.1 Método Determinista ............................................................................................................... 13 8.2.2 Método Estadístico ................................................................................................................. 14 9.3

Determinación de las tensiones soportadas especificadas (URW) .................................... 14

9.4

Elección del nivel de aislamiento asignado .......................................................................... 15

9.5

Elección de los niveles de aislamiento normalizados (Uw) ................................................. 16

9.6

Diagrama de flujo de la determinación de la coordinación de aislamiento ........................ 16

10.

ELECCIÓN DE LOS NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADOS .................................... 17

11.

FACTORES DE SEGURIDAD (Ks) .......................................................................................... 19

12.

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA............................................................................................... 19

13.

FACTORES DE CONVERSIÓN DE PRUEBA .......................................................................... 20

14.

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO A 220 kV....................................................................... 22

14.1 TENSIONES REPRESENTATIVAS (URP) ............................................................................... 22 14.2 TENSIONES DE COORDINACIÓN (Ucw)............................................................................... 23 10.2.1 Descargas Atmosféricas ............................................................................................. 23

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A. B.

Aislamiento Externo................................................................................................................ 24 Aislamiento Interno ................................................................................................................. 25

14.3 TENSIONES DE SOPORTABILIDAD REQUERIDAS (Urw) .................................................... 25 14.4 CONVERSIÓN DE BSL A FI (Frecuencia Industrial) Y BIL ................................................... 26 14.4.1 A Frecuencia Industrial ............................................................................................... 26 14.4.1 Conversión hacia la tensión soportada a Frecuencia Industrial ............................. 26 14.4.2 Conversión hacia la tensión soportada a impulso tipo rayo(LIW)........................... 27 14.5 RESUMEN ................................................................................................................................ 27 14.6 AISLAMIENTO FASE – TIERRA SELECCIONADO EN 220 kV .............................................. 28 10.6.1 Interno .......................................................................................................................... 28 10.6.2 Externo ......................................................................................................................... 28 14.7 RECOMENDACIONES ............................................................................................................. 29 15.

DISTANCIAS MINIMAS EN AIRE 220 kV ................................................................................ 29

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ESTUDIO DE COORDINACION DEL AISLAMIENTO SE SANTA TERESA 220 KV 1.

OBJETO El presente documento presenta la metodología y los resultados del estudio de la coordinación de aislamiento y las recomendaciones para la selección de los elementos de protección contra sobretensiones para la SE Santa Teresa 220 kV.

2.

ALCANCE El alcance de este documento comprende dos aspectos:

3.



Determinar los niveles de aislamiento de los equipos en 220 kV.



Determinar de las características de los descargadores de sobretensión.

NORMAS APLICABLES La coordinación del aislamiento materia de este documento justificativo, cumplirá con las prescripciones de las siguientes normas:   

4.

IEC 60071-1 : IEC 60071-2 : IEC 60694 :

Insulation co-ordination – Part 1: Definitions, principles and rules Insulation co-ordination – Part 2: Application guide Metal-oxide surge arrester without gaps for a.c. systems.

PARAMETROS DEL SISTEMA En la Tabla 1 se presentan los parámetros generales para la subestación. Tabla 1. Características del sistema DESCRIPCIÓN

UNIDAD

SE Santa Teresa

Tensión nominal

kV

220

Tensión asignada del equipo

kV

245

Frecuencia asignada

Hz

60

Nivel básico de aislamiento asignado al impulso tipo rayo (*)

kV pico

1050

Nivel de tensión asignado soportado a la frecuencia industrial (*)

kV

460

Nivel de contaminación (según IEC 60815)

Liviano Sólidamente aterrizado

Puesta a tierra del sistema

(*) Niveles de aislamiento a cumplir antes de la consideración de la altura

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En la Tabla 2 se muestran las características del sitio de ubicación de la subestación de acuerdo con los criterios de diseño electromecánico. Tabla 2. Características del sitio CARACTERÍSTICA

UNIDAD

VALOR

Altura sobre el nivel del mar

m

1500

Temperatura (Máxima anual/Media anual/Mínima anual)

ºC

30/10/5

Humedad relativa Media anual

%

50

días-año

60

Nivel Ceráunico

5.

UBICACIÓN DEL PROYECTO El proyecto se ubica a 1500 msnm, en el distrito de Colpani, Provincia de La Convención, departamento de Cusco.

6.

CONFIGURACION DE LA SUBESTACIÓN La configuración de la subestación Santa teresa 220 kV, esta conformada por la implementación de un banco de transformadores de potencia elevadores de 13,8 kV a 220 kV, conectado mediante una celda Transformador-Línea del tipo hibrida compacta y a su vez conectada a las torres de salida mediante cables de energía 220 kV y pararrayos 220 kV, tal como se muestra en la figura siguiente:

Instalación en Túnel

Configuración Esquematica de la Conexión de la Instalación GIS

7.

METODOLOGIA Se ha empleado la metodología descrita en las normas IEC 60071-1 y 60071-2, que efectúa la coordinación del aislamiento mediante el uso de pararrayos de óxido metálico (ZnO), definidos según el procedimiento de las normas 60099-4 y 60099-5 (ver Anexo 1).

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En el cálculo del nivel de aislamiento de los equipos de la subestación se siguió un método determinístico para seleccionar los aislamientos internos y un método probabilístico simplificado de la norma para establecer los aislamientos externos; el nivel de aislamiento de los mismos se asignó estableciendo una tensión de soportabilidad al impulso tipo rayo y a una tensión de frecuencia industrial; siguiendo la recomendación de la norma es posible realizar una conversión de otro tipo de sobretensiones, como las de maniobra, a dichos tipos de soportabilidades para establecer el nivel de prueba del aislamiento requerido en las condiciones de instalación de los equipos, definiéndose por lo tanto los niveles de aislamiento interno y externo de los equipos.

8.

DEFINICIONES PREVIAS Los interruptores materia de estas especificaciones, cumplirá con las prescripciones de las siguientes normas, según la versión vigente a la fecha de convocatoria de la licitación:

8.1

Coordinación del Aislamiento en Subestaciones tipo GIS Es la selección de la rigidez dieléctrica de un equipo encapsulado en relación con las tensiones que puedan aparecer en el sistema eléctrico en el cual el equipo operará tomando en cuenta las condiciones de servicio y las características de los equipos de protección contra sobretensiones disponibles.

8.2

Aislamiento Externo Son las distancias en el aire atmosférico y en las superficies de los aislamientos sólidos de un material en contacto con la atmósfera, que se someten a los esfuerzos dieléctricos y a la influencia de las condiciones ambientales u otros agentes externos tales como polución, humedad, etc. El aislamiento externo puede ser “protegido” o “expuesto” según que haya sido diseñado para utilizarse en el interior o en el exterior de recintos cerrados.

8.3

Aislamiento interno Este formado por elementos internos del aislamiento de un material, en el que las condiciones ambientales u otros agentes externos no tienen influencia. Estos elementos pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.

8.4

Aislamiento autorregenerable Es el aislamiento que recupera íntegramente sus propiedades aislantes, después de haber estado sometido a una descarga disruptiva provocada por una sobretensión y/o tensión de ensayo. Las descargas disruptivas durante el funcionamiento pueden conducir a un aislamiento autorregenerable o no autorregenerable.

8.5

Aislamiento no autorregenerable Es el aislamiento que pierde sus propiedades aislantes o no las recupera íntegramente, después de estar sometido a una descarga disruptiva de sobretensión y/o tensión de ensayo.

8.6

Clasificación de Tensiones y Sobretensión De acuerdo con su forma y duración, las tensiones se dividen en las siguientes clases:

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•

• •

8.7

Factores Utilizados • •

•

•

•

8.8

Tensión continua (a frecuencia industrial): Se considera que tiene un valor r.m.s. constante, continuamente aplicado a cualquier par de terminales de una configuración de aislamiento. Sobretensión Temporal: Sobretensión a frecuencia industrial de duración relativamente larga. Sobretensión transitoria: Sobretensión de corta duración (milisegundos o menos), oscilatoria y no oscilatoria que por lo general es altamente amortiguada. Las sobretensiones transitorias son divididas en: - Sobretensión de frente lento: sobretensión transitoria, usualmente unidireccional, con tiempo de pico 20 us< Tp =< 5000 us y duración de cola T2=< 20 us. - Sobretensión de frente rápido: sobretensión transitoria, usualmente unidireccional, con tiempo de pico 0,1 us< T1 =< 20 us, y duración de cola T2=< 300 us. - Sobretensión de frente muy rápido: sobretensión transitoria, usualmente unidireccional, con tiempo de pico Tf =< 0,1 us, duración total < 3 us, y con oscilaciones superimpuestas a frecuencia 30 kHz < f < 100 Mhz. - Sobretensión Combinada (temporal, frente lento, rápido y muy rápido): consistente de dos componentres de tensión aplicadas simultáneamente entre cada par de terminales de fase de un aislamiento fase-fase y tierra. Esta sobretensión está clasificada por la componente con el valor pico más alto.

Factor de coordinación (Kc): Es el factor con el cual se deberá multiplicar la sobretensión representativa para obtener el valor de la tensión de coordinación soportada. Factor de conversión del ensayo (Kt): Es el factor aplicado a la tensión de soportabilidad requerida, en el caso en el que la tensión de soportabilidad normalizada se selecciona con una forma de onda diferente, para obtener el límite inferior de la tensión de soportabilidad normalizada que puede ser asumido para probar el aislamiento. Factor de corrección atmosférico (Ka): Es el factor que debe ser aplicado a la tensión de coordinación soportada para tener en cuenta la diferencia entre las condiciones atmosféricas promedias en servicio y las condiciones atmosféricas normalizadas. Éste aplica a aislamiento externo únicamente. Factor de falla a tierra: Es un punto dado de un sistema trifásico, y para una configuración dada, la relación entre el valor r.m.s. más alto de la tensión fase-tierra a frecuencia industrial en una fase sana durante una falla a tierra que afecta una o más fases en cualquier punto del sistema y la tensión a frecuencia industrial fase-tierra obtenida en el punto dado en la ausencia de cualquier falla. Factor de seguridad (Ks): Es el factor total que debe ser aplicado a la tensión de coordinación soportada, después de la aplicación del factor de corrección atmosférico (si se requiere), para obtener la tensión de soportabilidad requerida, para tener en cuenta todas las otras diferencias entre las condiciones en servicio y las del ensayo de soportabilidad normalizado.

Formas de Tensión Normalizadas • •

Tensión normalizada de corta duración a frecuencia industrial: tensión senoidal con frecuencia entre 48 Hz y 62 Hz, y duración de 60 s. Impulso de maniobra normalizado: Impulso de tensión que tiene un tiempo de pico de 250us y un tiempo de mitad de onda de 2500 us.

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•

8.9

Impulso atmosférico normalizado: impulso de tensión que tiene un tiempo de frente de 1,2us y un tiempo de mitad de onda de 50 us.

Sobretensión Cualquier tensión entre un conductor de fase y tierra o entre conductores de fase cuyo valor pico exceda el correspondiente valor pico de la tensión más alta del equipo.

8.10 Sobretensiones Representativas Sobretensiones asumidas que producen el mismo efecto dieléctrico en el aislamiento que las sobretensiones de una clase dada ocurridas en servicio y debidas a diferentes orígenes. Son tensiones con la forma de onda normalizada para cada clase y pueden ser definidas por un valor o un conjunto de valores o una distribución de frecuencias de valores que caracteriza las condiciones de servicio.

8.11 Sobretensiones de Soportabilidad Requerida Tensión de prueba que el aislamiento deberá soportar en un ensayo de soportabilidad normalizado para asegurar que el aislamiento cumplirá el criterio de desempeño cuando está sometido a una clase de sobretensiones dada las condiciones reales de servicio y para todo el tiempo de servicio. La tensión requerida de soportabilidad tiene la forma de la tensión de coordinación soportada, y está especificada con referencia a todas las condiciones del ensayo de soportabilidad normalizado seleccionado para verificarla.

8.12 Sobretensión de Soportabilidad Normalizada Valor normalizado de la tensión de prueba aplicado en un ensayo de soportabilidad normalizado. Este es el valor asignado del aislamiento y prueba que el aislamiento cumple con una o más tensiones de soportabilidad requeridas.

9.

PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN DE AISLAMIENTO Las normas IEC 60071-1 y IEC 60071-2 establecen el procedimiento para realizar la coordinación de aislamiento, el cual consiste en elegir un conjunto de tensiones soportadas normalizadas que definen el aislamiento del material aislante que se aplica en equipamientos eléctricos. La secuencia adoptada en el proceso de selección de la coordinación del aislamiento es la siguiente:

9.1

Determinación de sobretensiones representativas (Urp) Las sobretensiones representativas son aquellas que se supone producen el mismo efecto dieléctrico en el aislamiento que las sobretensiones de una categoría dada y de diversos orígenes que aparecen durante el funcionamiento. Están constituidas por tensiones que tienen la forma normalizada de la categoría en cuestión y pueden definirse por un valor, un conjunto de valores o una distribución estadística de los valores que caracterizan las condiciones de funcionamiento.

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Esta misma definición se aplica también a la tensión permanente a frecuencia industrial que representa el efecto de la tensión de funcionamiento sobre el aislamiento. Para cada categoría de sobretensión, el análisis debe permitir determinar una sobretensión representativa que tenga en cuenta las características del aislamiento. La sobretensión representativa puede determinarse por: -

Un valor máximo estimado, o Un conjunto de valores de cresta, o Una distribución estadística completa de valores de cresta, en cuyo caso podría ser necesario tomar en consideración las características complementarias a las formas de sobretensión.

En el caso de haber elegido caracterizar a la sobretensión representativa mediante un valor máximo estimado, la sobretensión representativa de las diferentes categorías debe ser:



Para la tensión permanente a frecuencia industrial: Una tensión a frecuencia industrial de valor eficaz igual a la tensión máxima de la red y de duración que corresponda a la vida útil del material. En esta parte deberán de considerarse las sobretensiones temporales que tienen como origen las siguientes causas: • Fallas a tierra. • Perdidas de carga. • Resonancia y ferrorresonancia. • Sobretensiones longitudinales durante la sincronización. • Combinaciones de causas de sobretensiones temporales.



Para la sobretensión temporal: Una tensión normalizada de corta duración a frecuencia industrial de valor eficaz igual al valor máximo estimado de las sobretensiones temporales, dividido por √2. Para la coordinación de aislamiento, se considera que la sobretensión temporal representativa tiene la forma de onda de la tensión de corta duración normalizadas tiene la forma de onda de tensión de corta duración normalizada a frecuencia industrial (1 minuto). Su amplitud se define por un valor de cresta, o una distribución estadística completa de valores de cresta.



Para la sobretensión de frente lento: Una tensión normalizada de impulso de maniobra de valor de cresta igual al valor de cresta máximo estimado de sobretensiones de frente lento. • • • •

Energización y re energización de líneas Fallas y despeje de fallas Reinyección de carga. Maniobra de corrientes inductivas y capacitivas

En la siguiente figura se muestra un método del cálculo de sobretensión representativa:

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

Para la sobretensión de frente rápido: Una tensión normalizada de impulso tipo rayo de valor de cresta igual al valor de cresta máximo estimado de las sobretensiones de frente rápido. Entre las sobretensiones de frente rápido podemos considerar las siguientes: • Sobretensiones tipo rayo. • Sobretensiones debidas a maniobras y defectos. • Sobretensiones representativas en presencia de pararrayos Debido a que en nuestro caso analizado tenemos una sobretensión representativa del pararrayo, utilizaremos la formula :

(Ref. IEC 60071-2) Dónde:

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-

Urp

: Tensión representativa del pararrayos.

-

A

: Factor dado en Tabla F.2 - IEC 60071-2

-

Upl

: Es en nivel de protección del pararrayos para las ondas tipo rayo.

-

N

: el número mínimo de líneas conectadas a la subestación.

-

L

:Distancia de separación: L= a1+a2+a3+a4 como esta en la figura 3 (m)

-

Lsp

: La longitud del vano.

-

Lt

: Porción de línea aérea que tiene una tasa de defectos igual a la tasa de retorno establecida.

-

Rt

: La tasa de retorno de la sobretensión establecida (1/año).

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-

Rkm : Tasa de defectos anuales de la línea aérea para un diseño que corresponda al primer kilómetro a partir de la subestación.

Tabla F.2 (Norma IEC 60071-2) Factor A para diferentes tipos de líneas aéreas Tipo de Líneas

A kV

Líneas de Distribución - Con las crucetas puestas a tierra (cebado a tierra con una tensión pequeña) - Líneas con apoyos de madera (cebado a tierra con una tensión alta)

900 2700

Líneas de Transmisión (cebados fase-tierra) - Un solo conductor - Haz doble - Haz cuádruple - Haz de seis u ocho conductores

4500 7000 11000 17000

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

Para la sobretensión de frente muy rápido: Para esta categoría de sobretensión, las características de sobretensión son especificadas por los comités encargados de cada material. Las sobretensiones de este tipo se originan en maniobra de seccionadores o en defectos internos de GIS debido al rápido cebado de los electrodos en gas y a la escasa atenuación a la propagación de frentes dentro del GIS. Sus amplitudes se atenúan rápidamente al salir del GIS, por ejemplo en los pasatapas y sus tiempos de frente normalmente llegan a alcanzar el rango de los correspondientes en sobretensiones de frente rápido.

9.2

Determinación de tensiones soportadas de coordinación (UCW) Para cada categoría de tensión es el valor de la tensión soportada de la configuración del aislamiento, en las condiciones reales de funcionamiento, que satisface el criterio de comportamiento. Este paso consistió en determinar los valores mínimos de las tensiones soportadas del aislamiento que satisfacen el criterio de comportamiento cuando el aislamiento se somete a las sobretensiones representativas en las condiciones de funcionamiento.

Las tensiones soportadas de coordinación del aislamiento tienen la forma de sobretensiones representativas de la categoría considerada y sus valores se obtienen multiplicando los valores de las sobretensiones representativas por un factor de coordinación. El valor del factor de coordinación depende del grado de precisión de la evaluación de las sobretensiones representativas y de una estimación empírica o estadística de la distribución de las sobretensiones y de las características del aislamiento.

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Las tensiones soportadas de coordinación pueden determinarse como tensiones soportadas previstas convencionales (método determinista) o como tensiones soportadas estadísticas (método estadístico). El método influye sobre el valor del factor de coordinación. Para el presente estudio se usan ambos criterios.

Se puede determinar directamente las tensiones soportadas de coordinación estadísticas, sin tener que pasar por las etapas intermedias de determinación de las sobretensiones representativas, mediante la simulación de los fenómenos de sobretensión combinada con la evaluación simultánea del riesgo de defecto, utilizando las características adecuadas del aislamiento.

8.2.1 Método Determinista Se aplicó cuando no se dispuso de información que provengan de pruebas, de las posibles tasas de fallas que pueden esperarse del equipo en servicio.

•

•

Cuando el aislamiento se caracteriza por su tensión soportada convencional prevista (Pw=100%), lo cual significa que no se tolera ni una sola descarga disruptiva, el valor de soportabilidad se selecciona igual a la tensión soportada de coordinación, obtenida multiplicando la sobretensión representativa (máximo previsto) por un factor de coordinación Kc, que tiene en cuenta los efectos de las incertidumbres en la hipótesis para estos dos valores (la tensión soportada prevista y la sobretensión representativa); Cuando el aislamiento se caracteriza por la tensión soportada estadística (Pw=90%), tal como se hace para el aislamiento externo, Kc debe tener en cuenta también la diferencia entre esta tensión y la tensión soportada prevista. En este caso, es aceptable la ocurrencia de una cantidad de descargas disruptivas, correspondiente a una probabilidad de resistencia especificada (explicada en la Norma IEC 60060-1: Ensayos de Alta Tensión).

Con este método no se hace referencia a las tasas de falla posibles del equipo en servicio. Se aplicó en los siguientes casos: • •

Coordinación de aislamientos internos contra sobretensiones de frente lento, cuando el aislamiento está protegido por pararrayos. Protección con pararrayos contra sobretensiones causadas por rayos, de las descargas atmosféricas en equipos conectados a líneas aéreas, para los que se dispone de experiencia en equipos similares en el SEIN.

Para cubrir el efecto de la asimetría para que las pequeñas variaciones de la soportabilidad del aislamiento no produzcan un gran impacto en el riesgo de fallo, evaluaremos de acuerdo como la norma propone el Kcd dependediendo de la regulación entre el nivel de protección a impulsos tipo maniobra del pararrayos Ups y el valor 2 por 200 de las sobretensiones previstas fase-tierra Ue2. La siguiente grafica muestra esa dependencia.

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8.2.2 Método Estadístico Se basa en la frecuencia de ocurrencia de sobretensiones debidas a un origen específico, en la distribución de probabilidad de sobretensión relativa a este origen y la probabilidad de descarga del aislamiento. El riesgo de falla también puede ser determinado combinando sobretensión y cálculos de probabilidad de descarga simultáneamente, descarga por descarga, tomando en consideración la naturaleza estadística de las sobretensiones y descargas por procedimientos adecuados. Por repetición de los cálculos para distintos tipos de aislamiento y para diferentes estados de la red, puede obtenerse la proporción de fallas totales (tasa de indisponibilidad) del sistema debido a las fallas del aislamiento. Por tanto, la aplicación de la coordinación estadística del aislamiento aporta la posibilidad de estimar directamente la frecuencia de falla como función de los factores seleccionados en el diseño del sistema. Incluso, la optimización del aislamiento sería posible, si los costos de los cortes de energía eléctrica pudieran relacionarse con los distintos tipos de fallas, lo cual es muy difícil en la práctica debido a la dificultad de evaluar los daños a las instalaciones en los distintos estados operativos de la red y de evaluar las pérdidas económicas por energía dejada de suministrar. Como consecuencia de esto, usualmente es preferible sobredimensionar ligeramente el aislamiento del sistema, en lugar de optimizarlo. El diseño del aislamiento del sistema está basado en la comparación de riesgos, correspondiente a las diferentes alternativas de diseño.

9.3

Determinación de las tensiones soportadas especificadas (URW) Este paso consistió en convertir las tensiones soportadas de coordinación (Ucw) vistas en el procedimiento anterior, en condiciones de ensayo normalizadas adecuadas. Esto se hace multiplicando las tensiones Ucw por factores que compensen las diferencias entre las condiciones reales de servicio del aislamiento y las de los ensayos de tensiones soportadas normalizadas.

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Los factores que se aplican deben compensar: • • • • •

Las diferencias en el montaje del material; La dispersión en la calidad de fabricación; La calidad de la instalación; El envejecimiento del aislamiento durante la vida esperada; Otras influencias desconocidas.

Debido a que estos factores no se pueden evaluar en forma independiente unas de otras, se adopta un factor sobre la base de la experiencia. En el caso del aislamiento externo debe aplicarse un factor adicional para tener en cuenta las diferencias entre las condiciones ambientales normalizadas de referencia y las esperadas en funcionamiento.

9.4

Elección del nivel de aislamiento asignado Esta elección consistió en seleccionar el conjunto de tensiones soportadas normalizadas (Uw) del aislamiento más económico, suficientes para demostrar que se satisfacen todas las tensiones soportadas especificadas. La tensión soportada permanente del aislamiento a frecuencia industrial, del material, que es la tensión más elevada del material; se elige como la tensión más próxima al valor normalizado de Um igual o superior a la tensión soportada permanente a frecuencia industrial especificada. La normalización de los ensayos, así como la elección de las tensiones de ensayo adecuadas, para demostrar la conformidad a Um de cada tipo de material, son efectuadas por los comités encargados de dichos materiales (por ejemplo, ensayos de contaminación o ensayos de la tensión de aparición de descargas parciales). Las tensiones soportadas para demostrar que se satisfacen las tensiones soportadas especificadas temporales, de frente lento y de frente rápido, para el aislamiento fase-tierra, el aislamiento entre fases y el aislamiento longitudinal, pueden elegirse de la misma forma que la tensión soportada especificada, o de forma diferente teniendo en cuenta, para esta última elección, las características intrínsecas del aislamiento. El valor de la tensión soportada se elige de entre las tensiones soportadas normalizadas de las dos listas siguientes, como el valor más próximo igual o superior a: • •

La tensión soportada especificada, en el caso que se elija la misma forma; La tensión soportada especificada multiplicada por el factor de conversión de ensayo adecuado, en los casos en que se elige una forma diferente.

Esto puede permitir la adopción de una sola tensión soportada normalizada para demostrar la conformidad a más de una tensión soportada especificada, dando así la posibilidad de reducir el número de tensiones soportadas normalizadas que conducen a definir un nivel de aislamiento asignado.

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La elección de la tensión soportada normalizada para demostrar la conformidad con la tensión soportada especificada de frente muy rápido debe ser estudiada por los comités encargados de cada tipo de material.

9.5

Elección de los niveles de aislamiento normalizados (Uw) Las tensiones soportadas normalizadas se asocian a la tensión más elevada Um para el material, de acuerdo con la tabla 2 y 3 para la gama I y II de la norma IEC 60071-1. Las asociaciones obtenidas relacionando las tensiones soportadas normalizadas de todas las columnas sin cruzar las líneas horizontales marcadas se definen estando normalizados los niveles de aislamiento Para la mayor parte de las tensiones mas elevadas para el material, está prevista mas de una asociación preferente a fin de permitir aplicar diferentes criterios de comportamiento o diferentes valores de sobretensiones. Para las asociaciones preferentes, solamente son suficientes dos tensiones soportadas normalizadas para definir el nivel de aislamiento normalizado del material.

9.6

Diagrama de flujo de la determinación de la coordinación de aislamiento Se puede resumir nuestro procedimiento de análisis de la siguiente forma:

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Análisis de la Red.

Origen y Clasificación de las tensiones soportadas Nivel de Protección de los dispositivos limitadores de sobretensión. Características del Aislamiento.

Tensiones y sobretensiones representativas, Urp

Características del aislamiento Criterios de comportamiento. Distribución estadística (+).

Elección del aislamiento que satisface el criterio de comportamiento.

Imprecisión de datos de entrada (+). (+) Efectos combinados en un factor de coordinación Kc.

Tensiones soportadas de coordinación Ucw. Factor de corrección atmosférico Ka. Montaje del material Ensayado (*). Dispersión en Fabricación (*) Calidad de Instalación (*). Envejecimiento en servicio (*). Otros factores desconocidos (*).

Aplicación de factores teniendo en cuenta las diferencias entre las condiciones de ensayo de tipo y condiciones reales de servicio.

(*)Efectos combinados en un factor de seguridad Ks.

Tensiones soportadas especificadas Urw.

Condiciones de Ensayo. Factor de conversión de Ensayo Kt. Tensiones soportadas normalizadas. Gamas de Valores de Um.

Elección de tensiones soportadas normalizadas, Uw.

Nivel de Aislamiento Asignado o Normalizado: conjunto de Uw.

Indican los datos a tener en cuenta. Indican las acciones a efectuar. Indican resultados obtenidos.

Organigrama de determinación de los niveles de aislamientos asignados y normalizados. (Norma IEC 60071-1)

10.

ELECCIÓN DE LOS NIVELES DE AISLAMIENTO NORMALIZADOS Las tensiones soportadas normalizadas se asocian a la tensión mas elevada para el material, de acuerdo con la tabla 2 para la gama I de la norma IEC 60071-1. Las asociaciones obtenidas relacionando las tensiones soportadas normalizadas de todas las columnas sin cruzar las líneas horizontales marcadas se definen estando normalizados los niveles de aislamiento.

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Adicionalmente IEC ha normalizado el aislamiento entre fases, de la gama I, las tensiones soportadas normalizadas de corta duración a frecuencia industrial y a los impulsos tipo rayo entre fases son iguales a las tensiones soportadas fase-tierra correspondientes (tabla 2). No obstante, los valores entre paréntesis pueden ser insuficientes para demostrar que las tensiones soportadas especificadas son satisfactorias y pueden ser necesarios ensayos complementarios de tensión soportada entre fases. Para la mayor parte de las tensiones mas elevadas para el material, está prevista mas de una asociación preferente a fin de permitir aplicar diferentes criterios de comportamiento o diferentes valores de sobretensiones. Para las asociaciones preferentes, solamente son suficientes dos tensiones soportadas normalizadas para definir el nivel de aislamiento normalizado del material.

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11.

FACTORES DE SEGURIDAD (Ks) Existen varios factores y modos de funcionamiento que influyen sobre los aislamientos eléctricos, los cuales corresponden a las siguientes solicitaciones de servicio: • Solicitaciones térmicas • Solicitaciones eléctricas • Solicitaciones ambientales • Solicitaciones mecánicas Los pesos de los mencionados factores de influencia pueden variar para cada tipo de equipo y compensan: • Las diferencias en el montaje de los equipos; • La dispersión de la calidad del producto; • La calidad de la instalación; • El envejecimiento del aislamiento durante la vida útil prevista; • Otros factores desconocidos. Mayor información se puede ver en la norma IEC 60505, Anexo 2, donde se indican los principales factores de influencia y modos de funcionamiento asociados a los aislamientos eléctricos. La norma IEC recomienda aplicar los siguientes factores de seguridad: • Para el aislamiento interno Ks = 1.15; • para el aislamiento externo Ks = 1.05

12.

CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA La norma IEC considera que las condiciones atmosféricas del aire no influyen en las propiedades del aislamiento interno. Las reglas para la corrección atmosférica para las tensiones soportadas del aislamiento externo se encuentran especificadas en la norma IEC 60060-1. Estas reglas se basan en medidas a altitudes de hasta 2000m y su aplicación a altitudes mayores se debe hacer con precaución. Adicionalmente se deben tener en cuenta las siguientes recomendaciones: • Para distancias en el aire y aislamientos limpios, debe aplicarse la corrección a las tensiones soportadas a impulso tipo rayo y tipo maniobra. Para aisladores que requieren un ensayo de contaminación, también es necesario una corrección de la tensión soportada de larga duración a frecuencia industrial. • Para la determinación del factor de corrección atmosférico aplicable, puede considerarse que los factores de corrección por temperatura y por la humedad ambiente, tienden a anularse mutuamente; por lo tanto, a los efectos de coordinación del aislamiento, solo es necesario tener en cuenta la presión atmosférica correspondiente a la altitud del lugar para los aislamientos en seco y bajo lluvia. Estas consideraciones no son aplicables en aisladores cuya distancia entre campanas sea muy pequeña y que las campanas puedan ser unidas por la lluvia Factor de corrección por altitud (Ka) Se basa en la variación de la presión atmosférica en función a la altitud (norma IEC 60721-2-3) y se puede calcular como: • (Ecuación 2.1)

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• • • •

H: Altitud sobre el nivel del mar (metros) m=1 para las tensiones soportadas de coordinación a impulsos tipo rayo; m= valor obtenido de la figura 9 para las tensiones soportadas de coordinación a impulsos tipo maniobra; m=1 para tensiones soportadas a frecuencia industrial de corta duración de las distancias en el aire y de aisladores limpios.

El valor de m depende de varios parámetros. Los valores dados en la figura 9 de la norma IEC 60071-2. son conservadores. • En este caso los valores de m pueden variar entre 0,5 para los aisladores normales y 0,8 para los coordinados, para los ensayos de larga duración y si es necesario para los de

tensión soportada a frecuencia industrial de corta duración.

13.

FACTORES DE CONVERSIÓN DE PRUEBA Si los factores de conversión no están disponible, se pueden aplicar los factores de conversión indicados en la tabla Nº 2 de la norma IEC 60071-2 a las tensiones de soportabilidad al impulso de maniobras requeridas. Estos factores aplican a las tensiones requeridas de soportabilidad fase-tierra así como a la suma de las componentes de la tensión fase-fase.

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14.

COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO A 220 kV Para estos equipos se tiene una tensión máxima de 245 kV y una tensión nominal de 220 KV. Tensión Nominal : Tensión Máxima :

220 kV 245 kV

14.1 TENSIONES REPRESENTATIVAS (URP) Se consideran los valores para sobretensiones sugeridas en la recomendación IEC 60071-2. TOV Falla fase - tierra (Urp) Rechazo de carga (Urp)

1,4*Um/V3 = 1,4*Um =

198.0 kV 343.0 kV

Sobretensión de Maniobra Uet= 1,25*Ue2-0,25 pu Upt= 1,25*Up2-0,43 pu Donde los valores de Ue2 y Up2 son sugeridos en el Anexo H de IEC 60071-2: Todos los Equipos En el pararrayos

Ue2 Up2 Ue2 Up2

2.5 3.75 2.5 3.75

pu pu pu pu

Cálculo de las Sobretensión de Maniobra Todos los equipos Fase - tierra (Uet) 575.12kV Fase - fase (Upt) 851.68kV En pararrayos (En la entrada) Fase - tierra (Uet) 575.12kV Fase - fase (Upt) 851.68kV Pararrayos en el Transformador Se utilizan los valores de protección para el pararrayos 220 kV (Ur=198 kV): - Nivel de protección al impulso de maniobra-NPM (Ups) - Nivel de protección al impulso atmosférico-NPR (Upt) Fase-tierra Fase-fase Fase-fase

(Urp=NPM) (Urp=2xNPM) (Upt)

381,0 kV 452,0 kV

381,0 KV (Para cualquier equipo) 851,68 KV (Para pararrayos) 762,0 KV (Para cualquier equipo excepto el pararrayos)

Nivel de Proteccióna Impulsos tipo maniobra (kV)

Sobretensión de maniobra: Valor de truncamiento (kV)

Sobretensión representatitva Urp (kV)

381.00 762.00

575.12 851.68

381.00 851.68

Fase-tierra Fase-fase

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14.2 TENSIONES DE COORDINACIÓN (Ucw) Sobretensiones temporales Ucw=Kc x Urp (Kc=1) - factor de coordinación sugerido en la cláusula 3.3.1 de la IEC 60071-2 Fase-tierra : 212 kV Fase-fase : 343 kV Maniobra Para pararrayos fase-tierra Ups/Ue2 fase-fase 2Ups/Up2 Para todos los equipos fase-tierra Ups/Ue2 fase-fase 2Ups/Up2 Fase-tierra Ucw=Kcd x Urp Fase-fase Fase-fase

Ucw=Kcd x Urp

Relación 0.76 1.01

Kcd (*) 1.09 1.00

0.76 1.09 1.01 1.00 415,29kV - Para equipos de entrada 762,00kV - Para equipos de entrada 415,29kV - Para todos los equipos 762,00kV - Para todos los equipos

(*) Ver figura Nº 6 de la IEC 60071-2

10.2.1 Descargas Atmosféricas Para la determinación de las tensiones de coordinación se utiliza la formula:

…………..(A) La formula anterior se cumple cuando el nivel de protección del pararrayos (Upl) es mayor al producto de dos veces la pendiente (S) por el tiempo de propagación (T), tal como se muestra en la formula 1 (Norma IEC 60071-2 - Pág. 53), sin embargo para casos en los cuales se tiene una distancia superior desde el punto de incidencia de la descargas atmosféricas se toma como valido utilizar la formula dos (2).

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Como la distancia entre el pararrayos y la subestación a proteger es muy elevada (0,2 km), el valor de la sobretensión soportada de coordinación de frente rápido es el doble del nivel de protección al impulso tipo rayo del pararrayos.

Ucw = 2 x 423 kV = 846 kV Este valor es una aproximación aceptada, debido a que considera el cable de energía como una línea de transmisión ideal.

Para el equipamiento exterior a proteger que se encuentra entre la salida del cable de energía subterráneo y la línea aérea, se utiliza la formula inicialmente indicada (A), la cual considera una distancia de protección del pararrayos al terminal del cable de energía de 20 m.

La consideración de los demás parámetros para el cálculo se muestra a continuación: A. Aislamiento Externo 

NPR (Upl)

452,0 kV



Factor A (Tabla F.2 - IEC 60071-2)

4500,0



Cant. de líneas conectadas a la subestación

n=



Distancia del pararrayos al último equipo (L1)

200 m

kV

1,0

(Desde el pararrayo hasta el transformador de potencia) 

Distancia del pararrayos al equipo más cercano (L2)

20 m

(Desde el pararrayo hasta el terminal de energía) 

Vano típico de la línea

Lsp=

250



Indice de fallas (salidas)

Rkm =

3,0/100km año

m

El índice es tomado como referencia de las estadísticas de salidas por fallas en la línea de las empresas de transmisión. 

Tasa de falla aceptable (IEC 60071-2)



Longitud equivalente de tasa de fallas: La=Ra/Rkm

U CW  U pl 

Ra =

1,0/400 años 83,0 m

A L1 n Lsp  La

Ucw = 2 x 423 kV = 846 kV (Para GIS)

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B. Aislamiento Interno En forma similar para el aislamiento interno:

U CW  U pl 

A L2 n Lsp  La

Ucw= 761,0 kV

14.3 TENSIONES DE SOPORTABILIDAD REQUERIDAS (Urw) Factor de seguridad:

Interno: 1,15 Externo: 1,05

Factor de altura:

H = 1500 msnm (subestación Pomacocha 220 kV)

Ka  e

 H  m   8150 

- Para la tensión soportada a frecuencia industrial: m= 0,5 - Para la tensión soportada a impulso tipo maniobra, el valor de "m" es una función de la tensión soportada de coordinación de acuerdo a la figura Nº 09 

Fase - tierra

Ucw= 415,3 kV

m= 0,95



Fase - fase

Ucw= 762,0 kV

m= 1,0

- Para la tensión soportada a impulso tipo rayo:

m= 1,0

La subestación se encuentra a una altura H= 1500 msnm, por lo que los valores de Ka son: 

Para la tensión soportada a frecuencia industrial:

Ka=

1,096



Para la tensión soportada a impulso tipo maniobra

Ka=

1,191 Fase - tierra

Ka=

1,202 Fase - fase

Ka=

1,202

 

Para la tensión soportada a impulso tipo rayo:

Calculando las tensiones soportadas especificas Aplicando los factores de seguridad y por altura de instalación, se obtienen los siguientes resultados: Para Sobretensiones Temporales - TOV (FI)

fase-tierra = fase-fase =

Urw = Urw =

Aisl. Externo (kV)

Aisl. Interno (kV)

Urw = Ucw*Ks*Ka

Urw = Ucw*Ks

229.0 kV 395.0 kV

229.0 kV 394.0 kV

Para Sobretensiones de Maniobra ( frente lento - BSL)

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Para los equipos en entrada de línea

fase-tierra = fase-fase =

Aisl. Externo (kV)

Aisl. Interno (kV)

Urw = Ucw*Ks*Ka

Urw = Ucw*Ks

Urw = Urw =

487.0 kV 901.0 kV

447.0 kV 821.0 kV

Para otros equipos

fase-tierra = fase-fase =

Aisl. Externo (kV)

Aisl. Interno (kV)

Urw = Ucw*Ks*Ka

Urw = Ucw*Ks

Urw = Urw =

486.0 kV 901.0 kV

447.0 kV 821.0 kV

Para Sobretensiones de frente rapido - BIL (Tipo Rayo)

fase-tierra =

Aisl. Externo (kV)

Aisl. Interno (kV)

Urw = Ucw*Ks*Ka

Urw = Ucw*Ks

Urw =

961.0 kV

973.0 kV

14.4 CONVERSIÓN DE BSL A FI (Frecuencia Industrial) Y BIL La recomendación IEC permite utilizar un factor de conversión que se aplica a una tensión de soporte requerida para seleccionar una tensión de soporte de diferente forma de tal manera que se obtenga el límite menor de la tensión de soporte con que debe probarse el equipo; en este caso se convierte las tensiones de maniobra a valores equivalentes de FI y BIL de acuerdo con las formulas dadas por la IEC 60071-2 (tabla Nº 02). 14.4.1 A Frecuencia Industrial La tabla Nº 2 de la norma IEC 60071-2 da los factores de conversión de ensayo a aplicar a las tensiones aplicadas a las tensiones soportadas a impulso tipo maniobra fase-fase y fase-tierra.

14.4.1 Conversión hacia la tensión soportada a Frecuencia Industrial (factor de corrección de tabla 02 de IEC 60071-2) Para los equipos a la entrada de la línea Aislamiento externo

Urwc = Urw x factor SDW = Fase-tierra SDW = Fase-fase

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Urwx(0,6+Urw/8 500) 343.0 kV Urwx(0,6 + Urw/12 700) 650.0 kV

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Aislamiento GIS

Aislamiento interno

Urwc = Urw x 0.7

Urwc = Urw x 0.5

Urwx0.7 = 312.9 kV

Urwx0.5 = 224.0 kV

Urwx0.7 =

Urwx0.5 =

574.7 kV

411.0 kV

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14.4.2 Conversión hacia la tensión soportada a impulso tipo rayo(LIW)

Para los equipos a la entrada de la línea

LIW = Fase-tierra LIW = Fase-fase

Aislamiento externo

Aislamiento GIS

Aislamiento interno

Urwc = Urw x factor

Urwc = Urw x 1.25

Urwc = Urw x 1.1

Urw x (1,05*Urw/6 000) 551.0 kV Urw x (1,05*Urw/9 000) 1036.0 kV

Urw x 1.25 = 558.8 kV Urw x 1.25 = 1026.3 kV

Urwx1.1 = 492.0 kV Urwx1.1 = 903.0 kV

ELECCION DE LAS TENSIONES SOPORTADAS NORMALIZADAS A partir de la norma IEC 60071-1 tabla 2 y tabla 3, que recogen las tensiones soportadas normalizdas y agrupadas en niveles de aislamientos aociados a las tensiones mas elevadas para el material Um, se obtienen para este caso (Um =245 kV) los valores indicados a continuación: Extracto de las Tensiones Soportadas Normalizadas para Rango I (1 kV < Um < 245 kV) Tensión Soportada Tensión Soportada Tensión más elevada normalizada Normalizada de corta duración a para el material Um a los Impulsos tipo Rayo frecuencia kV (Valor Eficaz) industrial kV (Valor eficaz) kV (Valor Eficaz) (185) 230 275 (275) (325) 360 395 460

145

245

(450) 550 650 (650) (750) 650 650 1050

14.5 RESUMEN RESUMEN DE LAS TENSIONES SOPORTADAS ESPECIFICADAS Urw Aislamiento externo Tensión de corta duración a frecuencia industrial Impulsos tipo maniobra convertidos en tensiones soportadas asignadas a frecuencia industrial Impulsos tipo maniobra convertidos en tensiones soportadas asignadas tipo rayo Impulso tipo rayo

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GIS

Aislamiento interno

Fase-tierra

229.0

229.0

Fase-fase

395.0

394.0

Fase-tierra

320.0

312.9

224.0

Fase-fase

605.0

574.7

411.0

Fase-tierra

551.0

558.8

492.0

Fase-fase

1036.0 961.0

1026.0 973.0

903.0 973.0

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La columna “aislamiento externo” muestra los niveles de aislamiento (kV) requeridos por el equipamiento instalado al aire libre para las tensiones a frecuencia industrial y a impulso tipo rayo. Considera inclusive el nivel de aislamiento de los bushings del tipo exterior del equipamiento GIS. La columna “GIS” muestra los niveles de aislamiento (kV) requeridos por el equipamiento hibrido compacto que se encuentra encapsulado para las tensiones a frecuencia industrial y a impulso tipo rayo. La columna “aislamiento interno” muestra los niveles de aislamiento interno (kV) requeridos por el equipamiento internamente para las tensiones a frecuencia industrial y a impulso tipo rayo.

14.6 AISLAMIENTO FASE – TIERRA SELECCIONADO EN 220 kV 10.6.1 Interno El mayor valor encontrado no convertido para las sobretensiones a frecuencia industrial corresponde a 394 kV fase – fase para equipamiento interior; considerando que las recomendaciones IEC sugieren que los valores para el aislamiento entre fases son iguales al BIL y la FI fase - tierra, se selecciona el superior correspondiente de 395 kV asociado a un BIL de 950 kV. 

Tensión nominal del sistema

:

220 kV



Tensión máxima del equipo

:

245 kV



Tensión de sostenimiento a la onda de impulso 1,2/50

:

950 kVpico

10.6.2 Externo El mayor valor encontrado no convertido para las sobretensiones a frecuencia industrial corresponde a 395 kV fase – fase para equipamiento exterior; considerando que las recomendaciones IEC sugieren que los valores para el aislamiento entre fases son iguales al BIL y la FI fase - tierra, se selecciona el superior correspondiente de 395 kV asociado a un BIL de 1050 kV, valor este que sería mayor que el BIL requerido de 911 kV (mayor valor obtenido del Bil).



Tensión nominal del sistema

:

220 kV



Tensión máxima del equipo

:

245 kV



Tensión de soportabilidad al impulso tipo atmosférico

:

1050 kVpico

De acuerdo a la memoria de sleección del pararrayos, se ha escogido: Uc = 180 kV, nivel de protección a impulso tipo atmosférico de 423 kV y nivel de tensión a impulso tipo maniobra

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14.7 RECOMENDACIONES Para garantizar una buena actuación del despeje de las fallas en la línea por consideraciones atmosféricas se tomara en cuenta las siguientes recomendaciones:

  

15.

El sistema de puesta a tierra en la línea de transmisión será recomendado para que sea de 10 ohm-m. Se verificaran los valores P.U. de las sobretensiones una vez aprobado el estudios de transitorios electromagnéticos. Los cables de energía se instalaran con sus pantallas eléctricas para su aterramiento, con ello la impedancia de la onda se reducirá proveniente de la línea aérea.

DISTANCIAS MINIMAS EN AIRE 220 kV Las distancias en el aire fase-fase y fase-tierra serán determinadas de acuerdo al nivel de aislamiento al impulso tipo rayo recomendado en el numeral 13.6.2, y basado en las recomendaciones de la Norma IEC 60071-1 y 60071-2. Tabla 3. Distancia mínimas fase-tierra en el aire Distancias mínimas en el aire fase-tierra [mm] Punta-estructura

Conductor-estructura

2100

1900

Tabla 4. Distancia mínimas fase-fase en el aire Distancias mínimas en el aire fase-fase [mm]

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BIL

Conductor-estructura

1050

2100

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