aislamiento para líneas de transmisión

SELECCIÓN AISLAMIENTO PARA LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Una línea opera la mayor parte del tiempo a unas condiciones que se denominan
normales, las cuales se caracterizan por estar cerca al voltaje nominal de operación.
Para que la calidad de la potencia sea adecuada, la variable voltaje debe estar
alrededor del voltaje nominal y presentar unas variaciones de acuerdo a la
regulación de voltaje permitida en el nivel de voltaje correspondiente.
Sobre una línea de transmisión de energía se presentan eventos de tipo interno o
externo ocasionando alteraciones importantes en el voltaje. El estudio de estos
eventos y como impactan la línea, es lo que corresponde a un estudio del
aislamiento. En una línea en etapa de diseño corresponde a la selección del
aislamiento.
La selección del aislamiento de una línea de transmisión depende de los esfuerzos
representados en sobrevoltajes. Estos sobrevoltajes son de tres (3) tipos:
A frecuencia industrial
Por maniobra
Por descargas atmosféricas
En el diseño del aislamiento hay que considerar cuales elementos hacen parte de
dicho sistema. Estos elementos son los siguientes:
La cadena de aisladores.
La mínima separación entre conductores y las estructuras.
El apantallamiento o disposición del cable de guarda con respecto a las fases.
La resistencia de la puesta a tierra de torre, incluyendo la utilización de
conductores de compensación o "contrapesos". En la literatura técnica también
se conoce con el nombre de “contraantenas”.
1.
SELECCIÓN DE LA DISTANCIA DE FUGA DE LAS CADENAS DE
AISLADORES
De acuerdo a la IEC 71-1 y 71-2 la tensión de operación y las sobretensiones
temporales determinan la longitud de la cadena de aisladores según el grado de
contaminación de la zona. Si el factor de falla a tierra está por debajo de un valor de
1.3, que es un valor usual en sistemas multiaterrizados, la norma sugiere como
suficiente el diseño de la cadena de aisladores para que soporte la máxima tensión
en estado estacionario del sistema de fase a tierra. Si el factor de falla está por
encima de 1.3 es necesario tener en cuenta las sobretensiones temporales para el
diseño de la cadena de aisladores.
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Para seleccionar las líneas de fuga de los aisladores el criterio principal a considerar
es el de la contaminación.
De acuerdo a la norma IEC 71-2, se debe seguir los lineamientos dados en la tabla
1.
Si la contaminación es insignificante en la zona de acuerdo a la norma se debe
tomar una distancia de fuga en los aisladores de 16 mm/kV (kf). Por el contrario, si la
contaminación es muy fuerte la distancia de fuga se debe considerar de 31 mm/kV.
Y para grados de contaminación intermedios se toman valores de distancia de fuga
20 y 25 mm/kV.
La distancia total de fuga estará determinada por la expresión:
D
Vmáx
3
1
kf
ka
Donde:
D: Distancia de fuga, mm
Vmáx: Tensión máxima de servicio del sistema, kV rms
Ka: Factor de corrección por altura
Kf: Coeficiente de fuga, mm/kV
El factor ka es igual a la densidad relativa del aire para la altura sobre el nivel del
mar donde estará instalada la cadena de aisladores. La densidad relativa se puede
calcular con la siguiente expresión:
δr 1.013 0.000107283 h
También se puede utilizar la fórmula de Halley:
δr
3.9210 Pb
273 T
Donde:
Pb: Presión barométrica en mm de Hg, calculada a la respectiva altura sobre el nivel
del mar.
T: Temperatura ambiente en °C a la altura sobre el nivel del mar.
La presión barométrica Pb se calcula con la expresión:
Pb 10
log10(76)
h
18336
Donde h es la altura sobre el nivel del mar en m.
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Una vez determinada la distancia de fuga requerida (D) se puede calcular el número
de aisladores.
Número de aisladores
Distancia de fuga requerida
Distancia de fuga de cada aislador
Para una línea a 230 kV el número de aisladores para diferentes grados de
contaminación y para diferentes alturas sobre el nivel del mar se observa en la
Figura siguiente. Se ha considerado un aislador estándar de porcelana el cual tiene
una distancia de fuga de 292 mm. y una tensión máxima de servicio de 245 kV.
Tabla 1. Grados de Contaminación de acuerdo a Norma IEC 71-2 Insulation
Coordination Application Guide
Mínima distancia
de fuga (kf)
Grado de
Contaminación
Tipos de ambiente
mm/kV
Áreas no industriales y de baja densidad de casas equipadas
con equipos de calefacción.
Áreas con baja densidad de industrias o casas pero
sometidas a frecuentes vientos y/o lluvia.
I-Insignificante
16
Áreas agrícolas.
Áreas montañosas.
Todas las áreas anteriores deben estar situadas al menos
entre 10 y 20 km del mar y no estar sometidas a vientos
provenientes del mismo.
Áreas con industrias poco contaminantes y/o
con casas
equipadas con plantas de calefacción.
II-Medio
Áreas con alta densidad de casas y/o industrias pero sujetas
a frecuentes vientos y/o lluvias.
20
Áreas expuestas a vientos del mar pero no próximas a la
costa.
Áreas con alta densidad de industrias y suburbios de
grandes ciudades con alta densidad de plantas de
calefacción produciendo polución.
III-Fuerte
Áreas próximas al mar o expuestas a vientos relativamente
fuertes procedentes del mar.
25
Áreas sometidas a humos contaminantes que producen
depósitos conductores espesos.
Áreas muy próximas al mar sujetas a vientos muy fuertes.
IV-Muy Fuerte
31
Áreas desiertas expuestas a vientos fuertes que contienen
arena y sal.
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4
26
25
24
23
22
21
Número de aisladores
20
Grado de
contaminación
19
18
KF=16
17
KF=20
16
KF=25
15
14
KF=31
13
12
11
10
9
8
7
0
250
500
750
1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000
Altura sobre el nivel del mar (m)
Figura 1. Número de aisladores vs hsnm
2.
NÚMERO DE AISLADORES REQUERIDO POR SOBRETENSIONES POR
MANIOBRA
El número de aisladores para soportar las sobretensiones de maniobra se puede
determinar de manera estadística considerando los diferentes eventos de manera
probabilística, lo cual se puede realizar utilizando programas de simulación como el
ATP, el cual permite realizar simulaciones de maniobra de tipo estadístico, para
modelar el comportamiento aleatorio de la operación de los interruptores durante el
cierre.
El método convencional, que es de tipo determinístico, es el que se va a ilustrar en
este documento.
Se supone una máxima sobretensión de maniobra del sistema eléctrico donde se
diseña el aislamiento. Para el nivel de 230 kV esta sobretensión es del orden de 2.5
p.u. y constituye lo que se llama el factor de sobrevoltaje (Fv).
Máxima sobretensión esperada Fv Vmax
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2
3
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5
2
3
Máxima sobretensión esperada 2.5 245
500.1 kVpico
Para determinar la tensión que debe soportar el aislamiento se considera que debe
ser el 15% más sobre la máxima sobretensión esperada. Este 15% adicional se
considera un factor de seguridad (Fs).
Tensión de soporte
Fs Máxima sobretensión esperada
Tensión de soporte 1.15
500.1
575.1 kVpico
El aislamiento responde de manera probabilística de acuerdo a la siguiente curva
acumulada de probabilidad de la Figura 2. El valor del 50% corresponde al CFO
(Critical Flashover Overvoltage) del aislamiento. En la figura el CFO es unitario y la
desviación estándar (σ) es del 6%, que es la correspondiente desviación sugerida
para eventos de maniobra.
1.00
0.90
0.80
Probabilidad acumulada
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
0.76
0.82
0.88
0.94
1
1.06
1.12
1.18
1.24
Variable (Voltaje disruptivo)
Figura 2. Distribución de Gauss acumulada normalizada
Se define una tensión de soporte del aislamiento en función del CFO:
Tensión de soporte CFO
1 k
De la anterior expresión se despeja el CFO total que debe tener el aislamiento.
CFO requerido
Tensión de soporte
1 k
Donde,
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6
σ es la desviación estándar para esfuerzos tipo maniobra y de acuerdo a las normas
IEC 71-1 y 71-2 debe ser del 6%.
K, es el número de desviaciones estándar de acuerdo a la probabilidad de flameo
que se considere del aislamiento. Normalmente se asume una probabilidad de
flameo del aislamiento del 10% que es lo sugerido por la norma, en cuyo caso k es
igual a 1.3. Si se asume otra probabilidad de flameo, k toma otros valores. Por
ejemplo si se asume una probabilidad de flameo del aislamiento del 1%, k toma un
valor de 2.33.
El CFO requerido se debe corregir de acuerdo a las condiciones de la región:
CFO corregido
Donde,
r
Tensión de soporte
1 k
1
r
es la densidad relativa
Reemplazando en la expresión anterior la Tensión de soporte requerida de acuerdo
a los sobrevoltajes esperados, se obtiene la siguiente expresión:
Fs Fv Vmax
CFO corregido
1 k
2
3
1
r
Los aisladores normalizados de 250 x 146 mm tienen un CFO cada uno de 80
kVpico aproximadamente. Pero el CFO no es lineal para una cadena de varios
aisladores. Esta no linealidad se debe tener en cuenta mediante la utilización de un
gráfico que relacione el número de aisladores de la cadena y el CFO que tendría o
se puede utilizar la siguiente relación la cual es válida hasta una cadena de 20
aisladores:
No Aisladores 6.6485 10 -6 CFO2 7.9192 10 -3 CFO 0.4219
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7
1500
CFO [KVpico]
1250
1000
750
500
250
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Número de aisladores
Figura 3. CFO vs número de aisladores
Del número de aisladores que resulte por ambiente contaminado y por maniobra se
determina el mayor número de aisladores requerido.
Un criterio aceptado es aumentar un aislador más si es una cadena de suspensión y
dos aisladores más si es una cadena de amarre.
3.
AISLAMIENTO POR DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
El nivel de aislamiento se debe verificar para descargas atmosféricas, ya que se
pueden producir flameos entre la torre y el conductor. Para determinar el número de
aisladores por descargas atmosféricas se define una rata de salidas de la línea por
cada 100 km y por año. Este criterio es de cada empresa, pero es aceptado un valor
de 3 salidas/100 km*año. La cantidad de aisladores requeridos es muy dependiente
del valor de la puesta a tierra de la torre y de la densidad de descargas en la zona.
De acuerdo a la resolución 098 de 2000 emanada de la CREG y por la
cual se modifica el Anexo CC1 del Código de Conexión (Resolución 025
de 1995), en lo que se refiere al aislamiento dice:
“El dimensionamiento eléctrico de las estructuras se debe definir mediante combinación de las
distancias mínimas correspondientes a las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas, a las
sobretensiones de maniobra y a las sobretensiones de frecuencia industrial. En caso de usarse
estructuras de otro diseño disponible por el transportador, se deberá demostrar que el
dimensionamiento eléctrico satisface las condiciones de aislamiento exigidas para la región en donde
se va construir la nueva línea.
Para evaluar el comportamiento ante descargas eléctricas atmosféricas se debe considerar como
parámetro de diseño un máximo de tres salidas por cada 100 km de línea por año.
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El comportamiento de la línea ante sobretensiones de maniobra se debe realizar evaluando el riesgo
de falla del aislamiento, permitiéndose una (1) falla por cada cien (100) operaciones de maniobra de
la línea.
El comportamiento de la línea ante sobretensiones de frecuencia industrial, deberá asegurar su
permanencia en servicio continuo.
No se permite el uso de pararrayos de carburo silicio en ningún punto como protección de las nuevas
líneas de transmisión.”
4.
SELECCIÓN DE DISTANCIAS ELÉCTRICAS MÍNIMAS
Para determinar las distancias eléctricas mínimas se tienen en cuenta las
recomendaciones de las diferentes normas.
Distancia mínima conductor – estructura
Según el NESC (National Electrical Safety Code) de EUA, la distancia mínima
conductor-estructura se puede determinar con la siguiente expresión
D = 3 + 0.2(Vmáx – 8.7)
D = Distancia mínima conductor-estructura en pulgadas
Vmáx = Voltaje de línea máximo de operación en kV
Este voltaje se debe corregir por altura sobre el nivel del mar, dividiendo por la
densidad relativa en el sitio,
El nivel de aislamiento de la línea al nivel del mar debe ser de 850 kV, ya que es el
que tienen los equipos de las subestaciones. El BIL se debe corregir a la altura
sobre el nivel del mar en el sitio. Por ejemplo, si la altura sobre el nivel del mar es
1750 m, el BIL corregido es de 1050 kV. Según la norma IEC 71-2 la distancia
mínima conductor-estructura para un BIL de 1050 kV es de 1.90 m.
A esta distancia se le recomienda aplicarle un factor de seguridad de 1.15
Distancia mínima cable de guarda – conductor
La distancia entre cable de guarda y el conductor más próximo se determina
básicamente por el ángulo de apantallamiento y la silueta de la torre. Esta distancia
dependerá del criterio de apantallamiento que se adopte.
Distancia mínima conductor suelo
Para esta distancia se puede aplicar el criterio dado en el código de redes. Esta
distancia en general es de 6.5 m para un nivel de tensión de 230 kV. Con el fin de
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tener en cuenta algunas imprecisiones en el plantillado se puede asumir una
distancia de 8.00 m.
Distancia mínima entre fases
La distancia entre fases colocada en el mismo plano horizontal está determinada por
la longitud del vano y la longitud de la cadena de aisladores, debido a la ocurrencia
de acercamientos a mitad el vano cuando se presenten vientos, que hagan oscilar
las cadenas.
Una expresión comúnmente utilizada es la del reglamento español.
D = K(F+L)1/2 + Vn/150
D = distancia entre fases en m.
K = Factor que tiene en cuenta el tipo de conductor y el ángulo de oscilación de la
cadena. Para un conductor ACSR mayor de 200 mm 2 y un ángulo de oscilación
máximo de 55°, este valor es de 0.75
F = Flecha máxima en m
L = Longitud de la cadena de aisladores en m
Distancia vertical entre conductores
Esta distancia se elige de acuerdo a la distancia mínima a masa requerida y se
puede asumir las distancias mínima dada en Código de Redes (6.0 m).
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