ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

ACADEMIA DE POTENCIA

TECNICAS DE LAS ALTAS TENSIONES II

UNIDAD I

TENSION DISRUPTIVA EN AIRE

PROF. CARLOS RAMIREZ PACHECO

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD ITENSION DISRUPTIVA EN AIRE

1.0. Explicación de la tensión crítica de flameo (VCF).

1.1. Métodos para la determinación de la tensión crítica deflameo.

1.2. Pruebas y factores que afectan las tensiones disruptivas en elmedio ambiente.

1.3. Concepto y normas del nivel básico de aislamiento alimpulso (NBI) por rayo o por maniobra.

1.4. Relación voltaje - distancia en el aire para distintasconfiguraciones de electrodos.

1.5. Por rayo.

1.6. Por maniobra.

1.7. Limitación de las sobretensiones por maniobra yestablecimiento de factores de sobretensión.

1.8. Uso de resistencias de preinserción.

El dimensionamiento de las distancias entre partes vivas y de partes vivas a tierra, que se refiere en instalaciones de tipo convencional, ya sea en interiores o intemperie, no se considera en las instalaciones de tipo blindado o aisladas en gas.

La separación entre aparatos de una instalación y la disposición física de los mismos, se efectúan a partir de un diagrama unifilar, seleccionando la capacidad de la instalación y su tensión nominal. Estos factores no sólo afectan el tamaño de las componentes, sino también las distancias a tierra y entre fases. La determinación de estas dimensiones se efectúa por medio del cálculo de las distancias eléctricas entre las partes vivas del equipo y, entre éstas y las estructuras, muros, rejas y el suelo, que son:

Distancias entre fases. Entre partes vivas de fases diferentes.

Distancias a tierra. Entre partes vivas (energizadas) y estructuras a tierra, muros, rejas y tierra.

Distancias de aislamiento. Entre las terminales de un aislador, o también entre conexiones a las terminales de un interruptor.

Distancias entre secciones. Entre partes vivas y los límites de las zonas de mantenimiento (zonas de trabajo). Los límites de las zonas de mantenimiento pueden ser tierra o una plataforma sobre la cual trabajen los operarios. Si se considera que en una subestación eléctrica los hombres deben caminar libremente bajo las zonas con equipo energizado, es necesario dar una distancia adecuada entre el punto más bajo sobre cada aislador (donde se conectan a tierra las partes metálicas) y tierra, para asegurar que una persona no sufrirá los efectos del campo eléctrico. Esta distancia está basada en las denominadas distancias de seguridad, que más adelante se estudiarán.

1.0. Explicación de la tensión crítica de flameo (VCF).

Distancias eléctricas de no flameo en aire

a) Aislamiento de fase a tierra. 

Se refiere al aislamiento de una fase cualquiera con relación a los puntos conectados a tierra. Está caracterizado por una tensión relacionada con una distancia a tierra, que se verifica por medio de procedimientos convencionales y reproducibles en laboratorios, que se expresa en las normas como distancia de aislamiento en el aire, que es necesaria para definir los aspectos de seguridad.

 b) Aislamiento de fase a fase. 

El aislamiento entre fases debe garantizar un comportamiento dieléctrico que relacione la tensión con la distancia en aire, sin considerar ningún elemento a tierra entre los conductores de fase.

 En las subestaciones, la distancia de aislamiento entre fases resulta de las condiciones de la instalación y frecuentemente se refiere a los equipos, aunque no dependa de éstos.

 

Conceptos básicos para el diseño del aislamiento en aire

Tensión crítica de flameo (VCF o CFO). La tensión crítica de flameo es el valor de tensión al cual se tiene una probabilidad de flameo del 50% (también llamado U50) y los valores usados para diseño corresponden a los niveles básicos de aislamiento (por impulso de rayo o de maniobra), que son cantidades inferiores al VCF o el VCS, y que darían probabilidades de flameo máximas del 10%, es decir, se espera que no se produzca flameo por lo menos en un 90% de las veces. La VCF se determina experimentalmente en laboratorio bajo condiciones estándares de temperatura presión y humedad. Tensión máxima de diseño (Vd). La tensión máxima de diseño del equipo es el valor eficaz de tensión más alto entre fases, para el cual está diseñado el equipo con respecto a su aislamiento y a otras características asociadas con esta tensión, en las normas relativas al equipo. Corriente nominal (In). Corriente nominal es el valor de corriente que circula por una instalación o sistema eléctrico en condiciones normales de operación y con carga nominal a su factor de potencia establecido. Corriente máxima de operación continua (MCOV). La corriente máxima de operación continua es el valor máximo admisible de corriente que se prevé en condiciones normales de operación (sin falla) en una instalación o sistema eléctrico. 

Nivel básico de aislamiento (NBA). El nivel básico de aislamiento o nivel de onda completa es el nivel de tensión que el aislamiento de un equipo eléctrico puede soportar repetidamente sin que se presente la descarga disruptiva.

 

Nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI). El nivel básico de aislamiento al impulso por rayo, es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso al rayo.

 

Nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra (NBA). El nivel básico de aislamiento al impulso por maniobra es la potencia eléctrica de aislamiento expresado en términos de valores de cresta de un valor estándar de impulso por maniobra.

1.1. Métodos para la determinación de la tensión crítica de flameo.

Las distancias en aire de fase a tierra y de fase a fase deben garantizar estadísticamente una probabilidad de flameo tal que, resulte tan baja desde el punto de vista de los criterios de diseño adoptados. Esto conduce al establecimiento de distancias mínimas de no flameo entre fase y tierra o entre fases, que se determina principalmente para los impulsos por rayo y por maniobra, según los niveles de aislamiento.

 

El concepto de distancia dieléctrica en aire es general y, desde el punto de vista de diseño, parte de la relación entre la tensión crítica de flameo por rayo (VCF) o por maniobra (VCS) y el nivel básico de aislamiento al impulso por rayo (NBI) o por maniobra (NBS). La relación entre los niveles básicos de aislamiento al impulso y las tensiones críticas de flameo, se indican a continuación:

Por impulso de rayo:

NBI = VCF (1.0 – 1.3 )

Donde:

= Es la desviación estándar referida al valor de VCF, obtenida de la distribución de gauss.

Se recomienda, para el caso de impulso por rayo, usar un valor de = 3%.

Con lo que, sustituyendo en la ecuación anterior, se tiene:

NBI = 0.961 VCF

Por impulso de maniobra:  NBS = VCS (1.0 – 1.3 ) Se recomienda, para el impulso por maniobra, usar un valor de = 6%.Con lo que se tiene, sustituyendo en la ecuación anterior:  NBS = 0.922 VCS

9

No. de prueba Voltaje de prueba(kV)

No. de flameo

1 1300 1

2 1400 5

3 1500 7

4 1600 6

Ejemplo.- De una prueba de laboratorio a una cadena de aisladores se aplicaron por cada paso de tensión 15 impulsos, obteniéndose los siguientes resultados:

Calcular el valor de la tensión resistente o tensión de aguante (NBI).

10

69.88

19

149416006149415007149414005149413001

149419

16006150071400513001

2222

kVVCF

kVVNBI 13807.8828.1149428.1%50

SoluciónLa tensión crítica de flameo o V50% es:

La tensión de aguante o nivel básico de aislamiento al impulso (10% de probabilidad de flameo).

Para tensiones nominales hasta 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m., y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de rayo y sólo se verifican para las sobretensiones por maniobra de interruptores. En ciertos casos, la relación entre la tensión crítica de flameo y la distancia en aire, se obtiene de la ecuación:   

Donde: d = Distancia entre electrodos expresada en m.K3= Factor de electrodos (factor de Gap)

kV d K 500 3VCS

12.6 M

3.90 M

60 m m

60 m m O

60 m m O 60 m m O

60 m m O

2 m O

O

PUNTA - PLANO

CONDUCTOR - PLANO

6 M

16 M

18 M

25 M

1 M x 1.5 M

PUNTA - ESTRUCTURA

CONDUCTOR - TRABE

ELECTRODO6 M

d

2.30 M

PUNTA - PUNTA

CONDUCTOR - PUNTA

d

25 M

3.90 M

16 M x 16 M

8 M

1 M x 1.5 M

f.p .2

f.p .1

0.2 M

2 y 4 M

d1

d2

CONFIGURACIONES DE ELECTRODOS USADOS EN EL DIMENSIONAMIENTO DE SUBESTACIONES ELÉCTRICAS

El factor de electrodos K3 toma los siguientes valores, según las configuraciones.

El factor de electrodos K3 según su configuración 

Factor K3 Configuraciones

550

     Para conductor – estructura.      Conductor de fase exterior en líneas de transmisión – estructura. Conductor – estructura en líneas de transmisión con cadena de aisladores en “V”. Conductor – objeto a tierra (vehículos, tableros, etc.). Conductor – conductor. Anillo –equipotencial. Conductor – ventana en líneas de transmisión.

480 Para configuración punta-plano.

Distancia de fase a tierra (m):

3K

VCFd

En tensiones nominales superiores a 230 kV, las distancias dieléctricas de fase a tierra hasta 1000 m.s.n.m. y en condiciones estándar, se calculan básicamente por efecto de impulso de maniobra, de acuerdo con la expresión:  

Donde: K2 = Factor de Gap.

d = Distancia de fase a tierra (m). También, se puede usar en forma alterna la ecuación:

kV d K 500 0.62VCS

d8

1

K 3400VCS 2

Los factores de Gap recomendados para sobretensiones por maniobra, para diferente configuración, son los valores siguientes:

Factor K2 Configuración

K2 =1.40 Varilla-varilla.

K2 =1.35 Conductor de fase exterior a torres.

K2 =1.20 Conductor de fase interior a torre (ventana).

K2 =1.50 Fase – fase.

K2 =1.00 Punta – plano.

Factores de Gap K2 recomendados para diferentes configuraciones de electrodos

Efectos meteorológicos (presión barométrica, temperatura y humedad).

Los valores de tensión al impulso, que producen descarga en el aire entre electrodos, están influenciados por los valores de presión atmosférica, temperatura y humedad, este criterio es válido para todos los aislamientos externos (cadenas de aisladores en líneas de transmisión, boquillas en transformadores, boquillas de interruptores, porcelanas en transformadores de potencial y corriente, etc.), ya que las pruebas se efectúan en las condiciones atmosféricas normalizadas de 20°C de temperatura, 1013 milibar de presión barométrica (760 mm de mercurio a 0°C) y una humedad absoluta de 11 gm/m3. Se puede demostrar que la tensión disruptiva se aumenta con la densidad del aire y la humedad, por lo que los valores de tensiones disruptivas deben ser corregidas por estos dos factores.

Del valor de tensión disruptiva (tensión crítica de flameo) VCF a una temperatura t en °C y una presión barométrica b, se puede obtener el valor Vn , de acuerdo con la relación siguiente: 

VCF Vn

Donde:  es el coeficiente de corrección, que es en función de la densidad relativa del aire y la t a la temperatura y b a la presión.La densidad relativa del aire a cualquier presión barométrica, se calcula con la expresión siguiente: 

 

Donde: 

b = es la presión barométrica del lugar de la instalación.t = es la temperatura ambiente en el lugar de la instalación.

 

t 273b 392.0

La presión barométrica se obtiene por medición, ésta puede ser medida con un barómetro de Fortin, que es un tipo muy usado, de tal forma que la presión barométrica a una temperatura t (bt) se puede obtener resolviendo la siguiente expresión:

  

Donde: 

b = presión barométrica en mm de mercurio a 0°C.t = presión barométrica a la temperatura t en °C.

 

(t) bt 000161.0btbo

En cuanto a la humedad, se hace un razonamiento distinto para el objeto que se prueba, el coeficiente que lo relaciona depende también de la forma de los electrodos, es decir, si se tienen dos electrodos en aire, sin interesar la superficie del material, no se debe aplicar factor de corrección; pero si en lugar de esto, la descarga se presenta a lo largo de la superficie sólida (por ejemplo, un aislador de porcelana), el valor de la tensión de descarga debe ser reportada a las condiciones normales de humedad, según un coeficiente de corrección Kh, obtenido de gráficas. Entonces, la tensión de descarga en las condiciones de prueba (en laboratorios), se debe corregir a las condiciones del lugar de la instalación por presión barométrica, humedad y temperatura, de acuerdo con la relación:

estándarh

estándar no VCFK VCF

Despejando:

Los aislamientos internos no se ven afectados por las condiciones ambientales y, en consecuencia, no requieren de corrección alguna.

 La tensión crítica de flameo, en condiciones estándar, se modifica de acuerdo con la

expresión siguiente:

  

Para pruebas en laboratorios instalados a una altura superior a 1000 m.s.n.m. 

Siendo:

kV VCFK VCF stándare no

hestándar

estándarh

estándar no VCFK

n VCF

Despejando:

Los aislamientos internos no se ven afectados por las condiciones ambientales y, en consecuencia, no requieren de corrección alguna.

 La tensión crítica de flameo, en condiciones estándar, se modifica de acuerdo con la

expresión siguiente: 

 Para pruebas en laboratorios instalados a una altura superior a 1000 m.s.n.m. 

Siendo:

Kh = Factor de corrección por humedad. = Factor de corrección por presión barométrica.N = Exponente que depende de la configuración de los electrodos, teniendo un valor máximo de 1.0

kV VCFK VCF stándare no

hestándar

estándarh

estándar no VCFK

n VCF

En condiciones estándar:

 Se obtiene de la expresión: 

 Donde: b = presión barométrica en mm de mercurio.t = temperatura en °C. En condiciones estándar:

b = 760 mm de mercurio a 0 m.s.n.m. t = 25 °C. Tomando como referencia el nivel del mar y la temperatura ambiente de 25°C, los factores de corrección para diferentes altitudes, tomados por rangos, se indican en la siguiente tabla:

 

3h gm/m 11K

t 273b 392.0

Factores de corrección por presión barométrica para diferentes altitudes con respecto a 0 m.s.n.m.

Rangos de altura sobre el nivel

del mar (m)

0 a 500

501 a 1000

1001 a

1500

1501 a

2000

2001 a

2500

2501 a

3000

Factor de corrección0.94

20.885 0.834 0.775 0.732 0.688

Los factores de corrección por humedad, se obtienen aplicando los valores de dicha tabla. La tensión crítica de flameo, para distancias en aire utilizadas en diseño, en condiciones diferentes a la estándar, se calcula de la siguiente manera:

estándarh

diseño VCFn

K VCF

estándarh

diseño VCSn

K VCS

Distancias mínimas de fase a tierra y de fase a fase en aire hasta 1000 m.s.n.m. y en condiciones estándar***

Tensión nominal

kV

Tensión máxima

kV

NBIkV

NBSkV

NBI de fase a fase

NBS de fase a fase

Distancia de fase a tierra mm

Distancia de fase a fase mm

4.4 4.4 75--

75--

120 120

6.9 7.2 95--

95--

160 160

13.8 15.5 110--

110--

220 220

24.0 26.4 150--

150--

320 320

34.5 38.0 200--

200--

480 480

69.0 72.5 350--

350--

630 630

115.0 123.0450550

-- 450550

-- 9001100

9001100

138.0 145.0450550650

-- 550650

-- 11001300

11001300

161.0 170.0550650750

-- 650750

--110013001500

 13001500

 

230.0 245.0

650750850950

1050

--

750850950

10501125

--

13001500170019002100

150017001900210024002800

400.0 420.0

1050117513001425

9501050

-- 14251550

2200*2600*2900**4100**

3100*3500*3600**4100**

* Para configuración conductor-estructura.** Para configuración asimétrica.*** Presión barométrica de 760 mm de Hg y temperatura de 25°C.

PRESIÓN BAROMÉTRICA

HUMEDAD

1.00

0.80

0.60

0.40

0.20

0

1000 2000 3000 4000 5000

FACTOR DE CORRECCIÓN POR ALTITUD “ ”(DE ACUERDO CON LAS NORMAS IEC Y ANSI)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

1.10

1.05

1.00

0.95

0.90

a

a

b

b

[ m ]

HUMEDAD AB SOLUTA [ g / m ]3

FACTOR DE CORRECCIÓN K POR HUMEDAD

K

K

H

h

h

a : TENSIÓN A LA FRECUENCIA DEL SISTEMAb : TENSIÓN AL IMPULSO

NOTA: LOS VALORES DE HUMEDAD RELATIVA EXPRESAD A EN % SE REFIERE CON RELACIÓN AL VALOR ESTÁNDAR ( 11 g / m ). 3

Limitación de sobretensiones por maniobra

Sobretensiones por maniobra:•Cierre y recierre de una línea•Apertura de corrientes capacitivas•Apertura de corrientes inductivas•Interrupción de corrientes de falla

Factores que las afectan:•Parámetros de la línea•Tipo y rendimiento de los CB•Fuentes de la red•Resistividad de la red•Cargas atrapadas•Impedancia terminal•Circuitos acoplados

Sobretensiones internas

Sobretensiones en líneas de transmisión

Maniobras en líneas de transmisión largas y en vacio

-El cierre causa reflexión de la onda de sobretensión en el lado opuesto

-La superimposición de la onda incidente y la onda reflejada resulta en una sobretensión dos veces la tensión nominal

-La frecuencia resultante y el frente de onda es función directa de los parámetros distribuidos de la línea de transmisión y por lo tanto de su numero de circuitos y configuración

-Debido a lo anterior el fenómeno es mas importante en líneas > 250 kV

Como se pueden prevenir este tipo de sobretensiones?

Reactores en derivación

Resistencias de preinserción

Cierre sincronizado de interruptores de potencia

Capacitores de graduación

Resistencias en paralelo para carga atrapada

Apartarrayos

La sobretensión es una onda viajera:

Modelo

Analogía

La impedancia característica de una línea de transmisión Zc se utiliza como valor

de referencia (siendo valores típicos 400 en líneas de 400 kV) para limitar este tipo de sobretensiones en donde existe un alto índice de reflexión, es decir

Línea aérea

Punto de inserción

Cable

Banco decapacitores

Punto de transición

Línea aérea

Reactor

Punto de transición

Línea aérea

Atenuación y distorsión de ondas viajeras

VI

Punto detransición

VT

VR

II

ITIR

z1 > z2 z1 > z2

SOLUCION:

Resistencias de preinsercion

Que valor?? Aproximadamente igual a la Zc

Zc= (l/c)1/2

Valor tipico en lt’s: 400 ohms (400 kV)

Si existe alto indice de reflexion ???????????????????

VI

Punto detransición

VR

IR

z1 > z2z1 > z2

Punto detransición

Ondas viajeras

Explicación:

VI(t) = onda incidenteVR(t) = onda reflejada

VT(t) = onda transmitida 

II(t) = onda incidenteIR(t) = onda reflejada

IT(t) = onda transmitida

3

2

1

T

TT

I

RR

I

II

z

VI

z

VI

z

VI

5

4

TRI

TRI

III

VVV

También:

I

R

I

I

T

T

T

T

I

R

I

I

z

V

z

V

z

V

z

V

z

V

z

V

6

El problema es determinar que parte de la onda incidente se refleja y se transmite, para esto se calculan a partir de las expresiones anteriores los llamados coeficientes de reflexión () y de refracción o transmisión (). En la ecuación (5) se sustituyen las ecuaciones para la corrientes (1), (2) y (3).

También de (4)

ón transmiside eCoeficient1

reflexión de eCoeficient

IT

IT

IT

ITIR

IT

IT

I

R

TI

ITR

TI

ITI

T

R

I

R

T

I

I

I

T

RI

I

R

I

I

zz

zz

zz

zzVV

zz

zz

V

V

zz

zzV

zz

zzV

z

V

z

V

z

V

z

V

z

VV

z

V

z

V

IT

T

IT

IT

zz

z

zz

zz

2

1

Del coeficiente de reflexión se puede observar que si ZT es igual a ZI entonces el coeficiente se reduce a cero, es decir no existe onda reflejada. La solución práctica aprovechando este fenómeno es colocar una resistencia con valor aproximado a la impedancia característica de la línea de transmisión Zc donde:

C

LZ c

En la figura el interruptor I2 cierra primero la línea con el extremo final abierto e impedancia Z0, la tensión entre los contactos del interruptor es dividida por la resistencia Rp, entonces la tensión aplicada a la línea es reducido a un factor

0

0

ZR

Z

si la resistencia Rp tiene un valor:Rp = Z0

Entonces la onda reflejada es reducida a cero es decir con un índice de reflexión = 0 produciendo solo una onda incidente en las terminales del

interruptor, posteriormente el interruptor I1 cierra sus contactos, momentos después y dependiendo de su diseño, el interruptor I2 regresa

a su posición inicial.

ATP/ATPDRAW

Simulación!!!

400 kV

V

U

U

U

3.3E5L 0.0V

3.3E5L-120.

V

3.3E5L 120.V

0.0L 0.0V

0.0L 0.0

V

0.0L 0.0

V

Cierre sincronizado de interruptores

Una de las operaciones de maniobra más comunes en sistemas de potencia de alta y mediana tensión es la desconexión de elementos capacitivos en serie o paralelo

La apertura o cierre de pequeñas corrientes capacitivas o inductivas pueden ocasionar transitorios electromágneticos con frente de onda muy escarpados y gran magnitud

El cierre sincronizado es el cierre independiente de los contactos del interruptor cerca del paso de la corriente por cero

Aunque este nivel de precisión es difícil de alcanzar, frecuentemente es posible alcanzar una consistencia en el cierre de 0.5 mseg

Los bancos de capacitores aterrizados se controlan cerrando los contactos de las tres fases en tres sucesivos ceros de la tensión de fase a tierra (a 60 0 de separación)

Los bancos sin aterrizar son controlados cerrando las primeras dos fases en el cero de la tensión de fase a fase y posteriormente retrazando la tercer fase a 900 (cero de la tensión de fase a tierra) los efectos del cierre sincronizado se pueden observar en las figuras (error de 1 mseg.) en un bus de 161 kV y un bus de 13.2 kV (donde se magnifica la tensión).

Sobretensión en PU

Bus 161 kV Bus de 13.2 kV

Energización normal 1.68 1.85

Con cierre sincronizado 1.14 1.17

Principio de funcionamiento

En cierre controlado, el tiempo del contacto mecánico (cierre) para establecer conexión eléctrica entre los contactos del interruptor se controla en una fase específica del sistema. La función consiste de los siguientes pasos:

•El cierre de la fase objetivo se determina considerando las características eléctricas y aleatoriedad en la operación mecánica del interruptor y de las condiciones en el lado carga. •El tiempo de cierre próximo (tiempo entre el instante de aplicación del comando de cierre controlado y el instante de cierre) se predice en base a las condiciones de ambientales y de tiempos de operación previos.•El tiempo de retrazo es calculado aplicado al temporizador. El tiempo de retrazo se refiere a la diferencia en tiempo entre la fase objetivo de cierre menos el tiempo de cierre previsto y el ultimo punto de cruce por cero. •Con el comando de cierre aplicado, el punto de cruce por cero es detectado para iniciar el temporizador. Después del tiempo de retrazo, el comando de cierre controlado es aplicado para iniciar la operación de cierre del interruptor de potencia.•Después del periodo del tiempo de cierre, el interruptor de potencia es cerrado. El tiempo de cierre actual es medido del circuito de cierre principal o sensor de recorrido, el cual es reflejado en la predicción del próximo tiempo de cierre.

ATPDRAW