UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA DE PUESTA A TIERRA EN TORRES DE ALTA TENSIÓN EN FUNCIÓN DEL ARCO INVERSO MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL ELECTRICISTA CARLOS FELIPE SALINAS GATICA PROFESOR GUÍA: MANLIO ZAGOLIN BLANCAIRE MIEMBROS DE LA COMISIÓN: ARIEL VALDENEGRO ESPINOZA. NELSON MORALES OSORIO. SANTIAGO DE CHILE ABRIL 2012 Resumen Un alto porcentaje de fallas en las líneas en transmisión es producido por impactos de rayos. A su vez, en líneas con cables de guardia, las fallas más comunes producidas por descargas atmosféricas son las causadas por arco inverso, las cuales se deben a una elevación de potencial en la torre provocada principalmente por la corriente de rayo circulante por la estructura o que se drena vía la resistencia de puesta a tierra. En función de lo anterior, el objetivo principal de esta memoria es determinar el valor de diseño de la resistencia de puesta a tierra a pie de torre en líneas de transmisión de alta tensión con el fin de reducir la tasa de fallas producidas por arco inverso, como parte de la coordinación de aislamiento. La metodología llevada a cabo en este trabajo consistió en realizar una búsqueda bibliográfica especializada, para luego implementar un método de cálculo de la tasa de fallas producida por arco inverso en función del valor de la resistencia de puesta a tierra. El método fue desarrollado en VBA (Visual Basic for Applications), lenguaje de macros de Microsoft Excel. Los resultados que se obtuvieron con el programa fueron comparados con datos de operación reales de líneas de transmisión, donde se obtuvieron resultados aceptables. Además, se revisaron otros métodos para mejorar el desempeño de una línea de transmisión con respecto al impacto de rayos y se realizó un caso de estudio para una línea de transmisión de 345 kV ubicada en zonas cordilleranas altiplánicas del norte de Chile. Como conclusión, se logró comprobar que el programa de cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso es adecuado para dar una estimación del valor de la resistencia de puesta a tierra, con el fin de obtener un desempeño aceptable para la aislación de una línea en relación al fenómeno de arco inverso. Como trabajo futuro se podrían realizar mejoras al programa, ya sea incluyendo más variables, o agregando la tasa de fallas de blindaje de las líneas. Agradecimientos A Manlio Zagolin por su desinteresado aporte en esta memoria, el cual fue fundamental para su desarrollo. A los profesores de la comisión Ariel Valdenegro y Nelson Morales por su apoyo y valiosas observaciones entregadas en este trabajo. A mis padres Juan Carlos y Eliana y mi hermana Claudia por su apoyo, amor y compresión en estos 6 años de carrera. A mis amigos con los cuales compartí estos 6 años de carrera e hicieron esta etapa universitaria tan agradable y llevadera. III Índice Resumen ........................................................................................................................... ii Agradecimientos .............................................................................................................. iii Índice de Figuras ............................................................................................................. vi Índice de Tablas ............................................................................................................. viii 1. Introducción ........................................................................................................... 1 1.1 Motivación ..................................................................................................... 1 1.2 Alcances ......................................................................................................... 1 1.3 Objetivos ........................................................................................................ 2 1.4 Estructura del Trabajo .................................................................................... 2 2. Revisión Bibliográfica ........................................................................................... 4 2.1 Coordinación de Aislamiento en Líneas Aéreas, Métodos Clásicos. ............. 4 2.1.1 Influencia de las Condiciones Meteorológicas en la Aislación .............. 4 2.1.1.1 Efecto de la Densidad del Aire ............................................................ 4 2.1.1.2 Efecto de la Humedad del Aire ........................................................... 5 2.1.1.3 Efecto de la Lluvia .............................................................................. 6 2.1.2 Selección del Aislamiento Frente a Contaminación en los Aisladores .. 7 2.1.3 Determinación del Aislamiento para un Nivel de Impulso de Rayo .... 10 2.1.4 Coordinación del Aislamiento para Sobretensiones de Frecuencia Industrial. ............................................................................................................. 12 2.1.5 2.2 Protección contra Rayos en Líneas Aéreas .................................................. 15 2.2.1 2.3 Coordinación del Aislamiento para Sobretensiones de Maniobra. ....... 13 Modelo Electrogeométrico para ubicación del Cable de Guardia ........ 15 Descarga de Rayos ....................................................................................... 18 2.3.1 Condiciones de Tormenta ..................................................................... 18 2.3.2 Fenómenos Precursores de un Rayo ..................................................... 19 2.3.3 Clasificación de los Rayos .................................................................... 21 2.3.4 Nivel Ceráunico. ................................................................................... 22 2.3.4.1 Densidad de Caída de Rayos. ............................................................ 22 2.3.5 2.4 Parámetros de un Rayo ......................................................................... 23 Respuesta al Impulso de Rayo ..................................................................... 25 2.4.1 Impedancia de Impulso ......................................................................... 25 IV 2.4.1.1 Conductores de líneas aéreas............................................................. 26 2.4.1.2 Factor de acoplamiento ..................................................................... 28 2.4.1.3 Reducción de impedancia debido a Efecto Corona ........................... 29 2.4.1.4 Impedancia de impulso de la Torre ................................................... 30 2.4.2 Respuesta al impulso de electrodos de tierra ........................................ 31 2.4.3 Impacto de un rayo en la estructura ...................................................... 33 2.5 Arco Inverso ................................................................................................. 35 2.5.1 Corriente Crítica de Rayo ..................................................................... 36 2.5.2 Tasa de Falla Producida por Arco Inverso ............................................ 37 3. Desarrollo de un Modelo para el Cálculo de RPAT en Función del Arco Inverso 41 3.1 Programa de Cálculo de Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso ........ 41 3.1.1 3.2 Simplificación del Modelo.................................................................... 46 Interfaz del Programa para el Cálculo de la RPAT ...................................... 48 3.2.1 Datos de Entrada ................................................................................... 48 3.2.2 Datos de Salida ..................................................................................... 49 4. Discusión de Resultados ...................................................................................... 51 4.1 Limitaciones del Modelo .............................................................................. 51 4.2 Comparación de Resultados Obtenidos........................................................ 52 4.3 Otros Métodos para Mejorar la Tasa de Fallas Producidas por Rayos ........ 59 4.3.1 Descargadores de Sobretensiones ......................................................... 62 4.4 Análisis Comparativo ................................................................................... 68 4.5 Caso de Estudio ............................................................................................ 72 5. Conclusiones........................................................................................................ 79 5.1 Recomendaciones para Trabajos Futuros ..................................................... 80 6. Bibliografía .......................................................................................................... 81 7. Anexos ................................................................................................................. 84 7.1 Anexo A: Código del Programa VBA de Cálculo de la Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso. ................................................................................. 84 7.2 Anexo B: Datos de Operación de Líneas 500 kV [23]................................. 91 7.3 Anexo C: Datos de Operación de Líneas 161kV [23].................................. 93 V Índice de Figuras Figura 2.1: Curvas de factores de corrección por efecto de la humedad. ......................... 6 Figura 2.2: Distribución típica para la probabilidad acumulada de sobrevoltajes de maniobra. ........................................................................................................................ 14 Figura 2.3: Modelo electrogeométrico. .......................................................................... 16 Figura 2.4: Ángulo de protección teórico entre el cable de guardia y los conductores de fase. ................................................................................................................................. 18 Figura 2.5: Distribución de cargas eléctricas dentro de la nube. .................................... 19 Figura 2.6: Trazador descendente. .................................................................................. 20 Figura 2.7: Descarga de retorno. .................................................................................... 21 Figura 2.8: Mapa mundial de nivel ceráunico. ............................................................... 22 Figura 2.9: Definición de pendiente de frente. ............................................................... 25 Figura 2.10: Onda viajera. .............................................................................................. 25 Figura 2.11: Definición de distancias. ............................................................................ 27 Figura 2.12: Distancias en conductores fasciculados. .................................................... 28 Figura 2.13: Aproximación de impedancias en impulsos de torres. ............................... 30 Figura 2.14: Zonas de conducción en el terreno. ............................................................ 32 Figura 2.15: Voltajes presentes en la estructura luego del impacto de un rayo. ............ 35 Figura 2.16: Definición de tiempos cuando un rayo impacta en cable guardia. ............ 38 Figura 2.17: Voltajes en el cable de guardia, dependiendo de la ubicación del impacto en el vano. ....................................................................................................................... 39 Figura 3.1: Diagrama de flujo simplificado del programa de cálculo BFR. .................. 43 Figura 3.2: Diagrama de flujo del cálculo de la corriente crítica. .................................. 45 Figura 3.3: Diagrama de flujo del cálculo de la corriente crítica, método simplificado. 47 Figura 3.4: Datos específicos de la línea. ....................................................................... 48 Figura 3.5: Distancia de los conductores de guardia y de fase en la estructura. ............ 49 Figura 3.6: Tasa de fallas producidas por arco inverso vs Resistencia de puesta a tierra. ........................................................................................................................................ 50 Figura 4.1: Alturas más comunes en torres de líneas de 500 kV. .................................. 51 Figura 4.2: Alturas más comunes en torres de líneas de 220 kV. .................................. 52 Figura 4.3: Estructura 500 kV. ....................................................................................... 55 Figura 4.4: Estructura de simple circuito 161 kV (Tipo C). ........................................... 56 Figura 4.5: Estructura de doble circuito 161 kV (Tipo D). ............................................ 56 VI Figura 4.6: Tasa de fallas producida por arco inverso para dos valores de voltaje critico de la cadena de aisladores de una línea de 220 kV. ........................................................ 60 Figura 4.7: Operación de un esquema de reconexión automática. ................................. 62 Figura 4.8: Riesgo de falla. ............................................................................................. 63 Figura 4.9: Energía requerida por un pararrayos de línea. ............................................. 64 Figura 4.10: Sobretensión sin pararrayos, impacto en la torre 5. ................................... 66 Figura 4.11 Sobretensión con pararrayos instalados en las 9 torres, impacto en la torre 5. ........................................................................................................................................ 67 Figura 4.12: Torre 220 kV doble circuito, con 2 cables de guardia. .............................. 69 Figura 4.13: Torre 220 kV doble circuito, con 1 cable de guardia. ................................ 69 Figura 4.14: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, entre 1 y 2 cables de guardia. ........................................................................................................... 70 Figura 4.15: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, entre torres de distinta altura. ................................................................................................................. 71 Figura 4.16: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, dependiendo del largo del vano. .......................................................................................................... 72 Figura 4.17: Estructura autosoportada más representativa de la línea en estudio. ......... 74 Figura 4.18: Resultados caso de estudio, tramo 1. ......................................................... 75 Figura 4.19: Resultados caso de estudio, tramos 3 y 5. .................................................. 76 Figura 4.20: Resultados caso de estudio, tramos 2, 4 y 6. .............................................. 77 VII Índice de Tablas Tabla 2.1: Variación del exponente "n" según longitud del elemento de aislación. ........ 5 Tabla 2.2: Factor de lluvia KLL para los sobrevoltajes de frecuencia industrial............... 7 Tabla 2.3: Distancias de fuga unitaria recomendada [1] .................................................. 9 Tabla 2.4: Niveles de aislamiento, rango I (Um ≤ 245)................................................... 10 Tabla 2.5: Niveles de aislamiento, rango II (Um ≥ 245) ................................................ 11 Tabla 2.6: Parámetros distribución Log - Normal. ......................................................... 24 Tabla 3.1: Ejemplo de los datos de salida del programa. ............................................... 49 Tabla 4.1: Datos líneas de 500 kV. ................................................................................. 54 Tabla 4.2: Comparación tasas de fallas calculadas y reales, líneas de 500 kV. ............. 55 Tabla 4.3: Datos líneas de 161 kV. ................................................................................. 57 Tabla 4.4: Comparación tasas de fallas calculadas y reales, líneas de 161 kV. ............. 58 Tabla 4.5: Aplicación de descargadores de sobretensiones en líneas de transmisión. ... 65 Tabla 4.6: Distancia de los conductores de guardia y de fase en la estructura. .............. 68 Tabla 4.7: Datos propios de la línea en estudio. ............................................................. 69 Tabla 4.8: Distancia de los conductores en las torres, torre 10 metros más alta. ........... 70 Tabla 4.9: Tramos de la línea en estudio. ....................................................................... 73 Tabla 4.10: Distancias de conductores en torre para el caso de estudio. ........................ 74 Tabla 4.11: Resultados caso de estudio, tramo 1. ........................................................... 75 Tabla 4.12: Resultados caso de estudio, tramos 3 y 5. ................................................... 76 Tabla 4.13: Resultados caso de estudio, tramos 2, 4 y 6. ............................................... 77 Tabla 4.14: Tasas de fallas para los respectivos tramos de línea. .................................. 78 VIII 1. Introducción 1.1 Motivación En la determinación de la aislación de una línea de transmisión de AT, se emplean principalmente los criterios recomendados por la norma IEC 71 y la IEC 815. En ambos casos, se tiene como resultados espaciamientos en aire y aislación en cadenas de aisladores [1] [2]. Habitualmente, para la determinación de las cadenas de aisladores se consideran el efecto de la contaminación del lugar, las sobretensiones de origen interno y externo. En sobretensiones de origen interno se ubican las sobretensiones de frecuencia industrial y las de maniobra. En las sobretensiones de origen externo, se determinan las producidas por impactos de rayos sobre la línea. De acuerdo al comportamiento de las cadenas de aisladores en laboratorio, el fabricante indica una capacidad de resistir sobretensiones de origen externo, con lo cual se obtiene como resultado una cierta longitud y cantidad de aisladores de disco o longitudes de cadenas poliméricas. Cuando se produce una sobretensión, ya sea de origen interno o externo, puede producirse una descarga entre algunos de los conductores de fase y la estructura. Así también, una descarga atmosférica sobre la torre o un cable de guardia puede producir una elevación de potencial en la torre que implique una descarga desde la torre hacia los conductores, es decir, la producción de un arco inverso. La elevación de potencial de la torre se relaciona directamente con el valor de resistencia de puesta a tierra a pie de torre. En Chile normalmente no se utiliza las sobretensiones producidas por arco inverso en la coordinación de aislación, ya que hasta principios de los años 90’ casi la totalidad de las líneas que se construían eran solo a nivel de valle donde el nivel ceráunico es bajo, del orden de 5 (días de tormenta al año, en que se escucha el trueno). Con el comienzo de la construcción de líneas en cordillera, empezó a ser relevante el fenómeno de arco inverso, debido a que se incrementa la cantidad de fallas producidas por este fenómeno, donde la resistividad del terreno suele ser extremadamente alta en combinación con niveles ceráunicos elevados (incluso mayores a 40, en zonas altiplánicas). 1.2 Alcances El trabajo consistirá en realizar una metodología para calcular la tasa de fallas producidas por arco inverso en líneas de transmisión, para luego fijar una tasa de falla esperada para la línea y con esta información determinar qué valor de resistencia de puesta a tierra deben tener las estructuras. 1 Dicho procedimiento ha sido realizado en VBA (Visual Basic for Applications), lenguaje de macros de Microsoft Visual Basic que se utiliza para programar aplicaciones Windows y que se incluye en varias aplicaciones Microsoft, en particular se realizará en Microsoft Excel. En el trabajo, si bien se determina un valor de la resistencia de puesta a tierra como parte de la coordinación de aislación de la línea, no se entrará en detalle de cómo construir la puesta a tierra de las estructuras en una línea de transmisión ó cómo lograr un valor determinado de resistencia, ni los métodos para mejorar la resistividad del terreno. Tampoco se considera el mejoramiento para evitar las fallas de blindaje de la línea. Es sabido que en muchas ocasiones por razones constructivas, como topografías abruptas o suelos extremadamente rocosos, no es posible obtener un valor de resistencia de puesta a tierra lo suficientemente bajo como para asegurar un buen comportamiento de la línea ante caída de rayos, por lo que para estos casos se harán otro tipo de recomendaciones para mejorar el desempeño frente a las descargas atmosféricas, como por ejemplo: aumentar la distancia de fuga en la cadena de aisladores o la instalación de pararrayos en algunas torres de la línea. 1.3 Objetivos El objetivo principal de la memoria, es encontrar el valor de la resistencia de puesta a tierra en estructuras de líneas de transmisión de AT como parte de la metodología de coordinación de aislación y que minimice la tasa de fallas producidas por arco inverso. Por otro lado, los objetivos específicos son: - - Mejorar el comportamiento de las líneas de transmisión respecto de la producción de arcos inversos, con el fin de bajar la tasa de fallas por causa de este fenómeno temporario. Implementación de un procedimiento estadístico para la determinación de la tasa de fallas producida por arco inverso. 1.4 Estructura del Trabajo En el Capítulo 2 se realiza una revisión bibliográfica, en la cual se describe la coordinación de aislamiento por los métodos clásicos (más específicamente la determinación de la cadena de aisladores). Se muestra la importancia del cable de guardia en líneas aéreas y el modelo electrogeométrico para la ubicación de éste. Se realiza una caracterización de las descargas atmosféricas y todos los parámetros involucrados en este fenómeno. Por último, se describe el arco inverso y las ecuaciones para determinar la tasa de fallas asociada. El Capítulo 3 describe un método para el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso. Además se muestra una simplificación del modelo, el cual fue 2 implementado, incluyendo los diagramas de flujo, los datos de entrada con la interfaz para el usuario y los datos de salida. En el Capítulo 4 se muestran las limitaciones del programa y el modelo utilizado, además se comparan los resultados obtenidos con los datos de operación de algunas líneas en el mundo. También se realiza una revisión de otros métodos complementarios que ayudan a mejorar el desempeño de líneas de transmisión con respecto a la caída de rayos. Por último se hace un análisis de sensibilidad del modelo y se muestra un caso de estudio real. 3 2. Revisión Bibliográfica 2.1 Coordinación de Aislamiento en Líneas Aéreas, Métodos Clásicos. Se entiende como aislamiento a la aptitud que tiene un sistema o equipo de soportar adecuadamente los esfuerzos eléctricos que le pueden ser aplicados (tensiones y sobretensiones) [3]. En particular este trabajo está orientado al aislamiento de líneas de transmisión. La coordinación de aislamiento tiene como propósito principal determinar el aislamiento óptimo para una instalación eléctrica, es decir, que el número de perturbaciones o interrupciones de servicio sea el mínimo de acuerdo al grado de seguridad establecido para una línea o cualquier otro equipamiento, siendo compatible además con un costo mínimo de inversión inicial. El aislamiento de una línea de transmisión debe ser determinado luego de un cuidadoso estudio sobre las solicitaciones eléctricas a las que estará sometida la línea durante su operación. Entre estas solicitaciones se encuentran las sobretensiones de frecuencia industrial, sobretensiones de maniobra, sobretensiones de origen externo como impactos de rayos. 2.1.1 Influencia de las Condiciones Meteorológicas en la Aislación Las condiciones meteorológicas tienen gran influencia al momento de determinar el aislamiento de una línea aérea. Los principales factores que ejercen influencia son: la densidad del aire, la humedad, la lluvia, el nivel ceráunico del lugar y el grado de contaminación de la zona. 2.1.1.1 Efecto de la Densidad del Aire Un componente de la aislación de una línea se ve afectado por la densidad del aire. Lo fundamental es que la capacidad de resistir de un elemento de aislación se reduce al disminuir la densidad del aire, o sea que un aumento de la densidad es “favorable” para la aislación [4]. Es decir: (2.1) Donde: : Voltaje crítico de la aislación para cierto valor de la densidad relativa del aire (en kV). : Voltaje crítico de la aislación para condiciones meteorológicas normales, en que , presión barométrica 76 cm Hg y a 25°C (en kV). 4 : Exponente empírico de cada tipo de solicitación de la aislación ( , tal como se aprecia en la Tabla 2.1. [4] : Densidad relativa del aire. (2.2) Con: : Presión barométrica (en cm Hg). : Temperatura ambiente (en °C). La presión barométrica se relaciona con la altitud (h, en metros) sobre el nivel del mar de acuerdo a la ecuación (2.3): ( ( (2.3) Tabla 2.1: Variación del exponente "n" según longitud del elemento de aislación. Sobrevoltajes de maniobra Longitud del Valor del exponente elemento de “n” (°/1) aislación (m) <1,50 1,00 1,50 – 2,50 0,90 2,50 – 3,00 0,80 >3,00 0,70 Sobrevoltajes de frecuencia industrial Longitud del Valor del elemento de exponente “n” aislación (m) (°/1) <1,50 1,00 1,50 – 3,00 0,70 3,00 – 5,00 0,50 2.1.1.2 Efecto de la Humedad del Aire La humedad contribuye beneficiosamente con la aislación en aire, ya que, a medida que aumenta el número de moléculas de agua en el aire, aumenta también la probabilidad de capturar electrones. Esta captura evita la formación de avalanchas de electrones que inician la descarga. Lo anterior puede expresarse de la siguiente forma, en similitud al caso de la densidad del aire: (2.4) Donde: 5 𝐻 : Factor de corrección por efecto de la humedad del aire. Los valores de han sido establecidos por las Normas ANSI/IEEE e IEC, las que han publicado las curvas correspondientes [5]. Es de la forma: . Figura 2.1: Curvas de factores de corrección por efecto de la humedad. En la Figura 2.1 se muestran las curvas de factores de corrección por efecto de la humedad, donde: - Curva A: Frecuencia industrial, longitudes de líneas cortas Curva B: Impulso Curva C: Frecuencia industrial, longitudes de líneas largas 2.1.1.3 Efecto de la Lluvia Básicamente la lluvia disminuye la capacidad de resistir de un elemento de aislación, lo cual ha sido comprobado experimentalmente. Esta disminución es a su vez mayor al aumentar la intensidad de la lluvia. Esto puede expresarse como: (2.5) Donde: : Factor de corrección debido al efecto de la lluvia, con valores menores que 1,0. 6 El factor , se considera igual a 0,9 para cadenas de aisladores e igual a 0,95 para espaciamiento en aire para sobrevoltajes de maniobra. Por otro lado, para sobrevoltajes de frecuencia industrial, el factor se muestra en la Tabla 2.2. Tabla 2.2: Factor de lluvia KLL para los sobrevoltajes de frecuencia industrial Intensidad de la lluvia (mm/min) 0 1,27 2,50 3,80 5,10 6,30 2.1.2 Factor 1,0 0,83 0,77 0,73 0,71 0,68 Selección del Aislamiento Frente a Contaminación en los Aisladores En una línea de transmisión, el nivel de contaminación definido para el trazado de la línea, es unas de las variables que determinan el largo de la cadena de aisladores. La distancia de fuga mínima total de una cadena de aisladores que debe ser considerada en un ambiente de contaminación determinado, está dada por una recomendación de la norma IEC 815 y el estándar IEC 60071-2, citada en la norma IEEE Std. 1313.2-1999, la cual se resume en la Tabla 2.3. La Tabla 2.3 considera una distancia de fuga mínima de aisladores entre fase y tierra en relación con la tensión más alta del sistema (fase – fase) [2]. Luego, el número de aisladores en una cadena esta dado por la ecuación (2.6): (2.6) Donde: : Distancia de fuga mínima recomendada según norma, para el nivel de contaminación considerado (en mm/kVff). : Tensión nominal del sistema entre fases (en kV). : Distancia de fuga mínima de cada aislador entregada por el fabricante (en mm). La Tabla 2.3 y la ecuación (2.6) son válidas para instalaciones a nivel del mar, por lo que si se desea determinar la aislación a otra altura geográfica, será necesario considerar ciertas correcciones. 7 Se modifica la distancia de fuga (en ), para un cierto valor de densidad relativa del aire “ ” a través de la siguiente expresión [4]: √ (2.7) Donde: : Distancia de fuga unitaria mínima según IEC 60071-2, para el nivel de contaminación escogido (en mm/kV). : Densidad relativa del aire para el lugar 8 Tabla 2.3: Distancias de fuga unitaria recomendada [1] Nivel de Contaminación Descripción Distancia de fuga unitaria mínima. (mm/kV) -Áreas sin industrias y con baja densidad de casas equipadas con instalaciones de calefacción. I Ligero -Áreas con baja densidad de industrias o casas, pero sujeto a lluvias y/o vientos frecuentes. -Áreas de agricultura. -Áreas montañosas. -Todas estas áreas deberán encontrarse al menos 10 a 20 km del mar y no debe estar expuesta a los vientos directamente desde el mar. -Áreas con industrias que no producen particularmente humo contaminante y/o con densidad promedio de casas equipadas con instalaciones de calefacción. II Mediano III Alto -Áreas con alta densidad de industrias o casas, pero sujeto a lluvias y/o vientos frecuentes. -Áreas expuestas a viento desde el océano, pero no muy cercanas a la costa (al menos a varios kilómetros de distancia). -Áreas con alta densidad de industrias y barrios residenciales de grandes ciudades con alta densidad de instalaciones de calefacción que producen polución. -Áreas cerca del mar o expuestas a vientos desde el mar relativamente fuertes. -Áreas de extensión moderada, sujetas a polvo conductor y a humo industrial que produce depósitos conductores particularmente espesos. IV -Áreas de extensión moderada, muy cercanas de la costa y expuestas a la “brisa marina” o a vientos desde el mar muy intensos. Muy Alto -Áreas desérticas, caracterizadas por la escasa lluvia, expuestas a fuertes vientos llevando arena y sal, y sujeto a condensación regular. 9 2.1.3 Determinación del Aislamiento para un Nivel de Impulso de Rayo De acuerdo a norma IEEE Std. 1313.1 [6], el BIL Estadístico de un equipo o componente corresponde a la tensión, en términos de valor cresta, y de frente rápido, que es capaz de soportar sin “romperse” el 90% de las veces que es aplicada. Además de lo indicado anteriormente, en la Norma IEC 60071-1 [1] se definen los niveles de aislamiento estándar para sobrevoltajes a frecuencia industrial, de maniobra y de origen externo (rayo). Asimismo en la Tabla 2.4 y la Tabla 2.5 se muestran los niveles de aislamiento para los rangos de voltajes I y II1. Tabla 2.4: Niveles de aislamiento, rango I (Um2 ≤ 245) Voltaje Máximo del Sistema (kV-rms) Voltaje soportado de corta duración a baja frecuencia (kV-rms) Voltaje soportado de impulso de rayo (kV-peak) 72,5 140 325 150 380 185 450 185 450 230 550 185 450 230 550 275 650 230 550 275 650 325 750 275 650 325 750 360 850 395 950 460 1050 100 123 145 170 245 1 2 Rango I: Desde 1 kV hasta 245 kV inclusive; Rango II: Desde 245 kV. Um: Voltaje más alto de diseño y operación del equipo. 10 Tabla 2.5: Niveles de aislamiento, rango II (Um ≥ 245) Voltaje Máximo del Sistema [kVrms] Voltaje soportado de impulso de maniobra Aislamiento Fase – Fase Fase – Tierra Longitudinal [razón fase[kV-peak] [kV-peak] tierra y peak] Voltaje soportado de impulso de rayo [kV-peak] 850 750 750 1,50 950 300 950 750 850 1,50 1050 950 850 850 1,50 1050 362 1050 850 950 1,50 1175 1050 850 850 1,60 1175 1175 420 950 950 1,50 1300 1300 950 1050 1,50 1425 1175 950 950 1,70 1300 1300 550 950 1050 1,60 1425 950 1050 1425 1175 1,50 1550 1675 1175 1300 1,70 1800 1800 800 1175 1425 1,70 1950 1175 1300 1950 1550 1,60 2100 Por otra parte, se define el “Critical flashover overvoltage” (CFO) como la tensión, en términos de valor cresta, y de frente rápido, para la cual la aislación se rompe el 50% de las veces que es aplicada (según la norma IEEE Std. 1313.1 [6]). Suponiendo que la distribución de probabilidades de ruptura sigue una curva normal, se tendrá: 11 ( ) (2.8) Donde: : Desviación estándar Considerando ecuación (2.9): (según norma IEEE Std 1313.2 – 1999), se tiene la (2.9) Las sobretensiones a las cuales están sometidas las cadenas de aisladores en una subestación difícilmente tendrán una forma de onda como la del impulso de rayo normalizado, por lo que algún resguardo debe tomarse. En consideración con lo anterior, se propone utilizar un margen de seguridad de 15% para dar cuenta de la situación antes expuesta, tal como se hace en el caso de aislaciones no autoregenerativas y en las distancias mínimas en subestaciones como lo indica la norma IEEE Std 1427-2006 (Guide for Recommended Electrical Clearances and Insulation Levels in Air-Insulated Electrical Power Substations). Aplicando el factor de seguridad antes mencionado y corrigiendo por la densidad relativa del aire, se tiene la ecuación (2.10). Para efectos del presente trabajo, se adoptará el mismo criterio para las cadenas de aisladores de las líneas de transmisión. (2.10) Con: : Densidad relativa del aire El problema de la elección de la cadena de aisladores se reduce a encontrar una de un largo y configuración tal que su CFO sea mayor o igual al valor calculado en la ecuación (2.10). Esto se resuelve consultando las tablas entregadas por los fabricantes de aisladores, y utilizando el valor de CFO de polaridad negativa, que es el más restrictivo. [7] 2.1.4 Coordinación del Aislamiento para Sobretensiones de Frecuencia Industrial. Estos sobrevoltajes se producen debido a pérdida súbita de carga (rechazo de carga); desconexión de cargas inductivas o conexión de cargas capacitivas; efecto Ferranti y 12 fallas a tierra. Se debe establecer primeramente el voltaje crítico requerido por la aislación bajo condiciones meteorológicas normales3. [5] El voltaje máximo depende principalmente de las características del sistema y esta dado por la ecuación (2.11) [4]: √ (2.11) Con: : Sobrevoltaje a frecuencia industrial máximo (en kV). : Factor de sobrevoltaje a frecuencia industrial, se puede considerar [4]. : Tensión nominal de la línea, entre fases (en kV). Luego se realiza una corrección del sobrevoltaje por la influencia de las condiciones meteorológicas descritas en la sección 2.1.1. 2.1.5 Coordinación del Aislamiento para Sobretensiones de Maniobra. Estas sobretensiones son producidas principalmente por el cambio de topología o configuración del sistema, al operar algún elemento de él, que provoque una conexión o desconexión de algún componente del sistema de potencia, como por ejemplo el accionamiento de un interruptor de una línea, en particular la apertura monopolar. La magnitud de las sobretensiones de maniobra depende entre otras cosas de las características del sistema y de los elementos conectados a él, como por ejemplo: líneas largas con altos valores de capacitancias, cables de poder y ciertas conexiones de transformadores. Por otra parte, los valores de estos sobrevoltajes varían como un fenómeno probabilístico, con muy baja probabilidad de que se alcance el valor máximo, ya que éste depende además del estado y configuración del sistema y del instante en que se produce la conexión o desconexión frente a la onda sinusoidal del voltaje. Una aproximación bastante exacta consiste en aceptar que estos sobrevoltajes satisfacen la curva de distribución normal de Gauss. En la Figura 2.2 se muestran curvas típicas de distribución de probabilidad acumulada de los sobrevoltajes de maniobra para distintos valores de sobrevoltaje máximo. [4] 3 Temperatura 20°C, Presión 1013 kPa o 1013 mbar, Humedad 11 g/m3. [1] 13 3.6 3.4 3.2 Factor de Sobrevoltaje de maniobra Kt [P.u.] 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.001 0.01 0.1 0.5 1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99 99.9 99.99 99.999 Probabilidad Acumulada [%] Figura 2.2: Distribución típica para la probabilidad acumulada de sobrevoltajes de maniobra. El sobrevoltaje transiente de maniobra puede estimarse en la ecuación (2.12) [4]: √ √ (2.12) Con: : Sobrevoltaje transitorio máximo (en kV-cresta). : Factor de sobrevoltaje, se puede considerar que este valor se encuentra en el rango entre y . : Tensión nominal de la línea, entre fases (en kV). Luego se realiza una corrección del sobrevoltaje por la influencia de las condiciones meteorológicas descritas en la sección 2.1.1. 14 2.2 Protección contra Rayos en Líneas Aéreas La protección contra rayos en líneas de transmisión se realiza mediante la colocación de uno o más conductores sin tensión ubicados en la parte más alta de las torres y que se conecta sólidamente a la misma estructura metálica. Este conductor se denomina cable de guardia, conductor de guardia o hilo de guardia. El uso de un conductor en la cima de las torres para protección contra rayos comenzó temprano en los sistemas de transmisión. Originalmente en los planos de diseño de la primera línea de transmisión (desde las cataratas del Niágara) se mostraba la intención de montar un cable de guardia sobre cada conductor de fase. La industria rápidamente estableció la ubicación de un único cable de guardia, situado algunos metros sobre los conductores de fase, dando una buena protección a mucho menor costo [8]. La confiabilidad de una línea de transmisión, depende, entre otros aspectos, de la protección que la línea tenga ante las descargas atmosféricas (rayos). Para cumplir con este objetivo de protección, en las líneas de transmisión usualmente se instalan uno o más cables de guardia, los cuales deberán ser dimensionados de forma que soporten una cierta magnitud de corriente de descarga de rayo. Esta última se puede estimar según las mediciones de densidad de caída de rayos o a partir del nivel ceráunico para el área geográfica donde se emplaza la línea. Asimismo, la utilización del cable de guardia se justifica para mejorar el comportamiento del retorno por tierra en los cortocircuitos fase-tierra, lo que permite entre otros aspectos una correcta operación de las protecciones, además de proteger la aislación de la línea [5]. 2.2.1 Modelo Electrogeométrico para ubicación del Cable de Guardia La base de este modelo es el establecimiento de una relación entre la intensidad de la corriente del rayo y la región de alcance del extremo de la descarga piloto (líder), la que permite establecer que un rayo en su trayectoria hacia la tierra tiene preferencia en alcanzar los objetos altos más próximos o en su defecto los elementos que emitan más rápidamente el trazador hacia arriba (estructuras con terminaciones en punta) [9]. Al acercarse una descarga a tierra hay un momento en que el valor del campo eléctrico supera la rigidez dieléctrica del aire y se produce el salto hacia el objeto más cercano, que puede ser un árbol, una línea de transmisión o la misma tierra. La distancia a la cual se produce la ruptura dieléctrica del aire se denomina distancia de descarga ( ). La expresión para el cálculo de la distancia de descarga las aplicaciones se muestra en la ecuación (2.13) [3]: (en m) para la mayoría de 15 (2.13) Con corresponde a la corriente crítica (en kA), indicada en la ecuación (2.14): (2.14) Donde: : Tensión soportada con impulso de rayo de la línea (en kV – cresta). : Impedancia de onda del conductor impactado (en Ω) (ver sección 2.4.1). La construcción geométrica del modelo se muestra en la Figura 2.3: rc c θ0 y Figura 2.3: Modelo electrogeométrico. Las distancias involucradas en el modelo son las siguientes: 16 : Distancia ponderada del conductor de fase más alto al suelo (en m), ver ecuación (2.15). : Distancia media entre el conductor y cable de guardia (en el punto de sujeción, en m). : Distancia de descarga de corriente crítica correspondiente a Ic (en m). La distancia ponderada de los conductores al suelo depende principalmente de la altura del conductor en el punto de sujeción a la estructura, la flecha y la geografía del terreno. { ( ) ( (2.15) Donde: : Altura del conductor en el punto de sujeción en la cadena de aisladores (en m). : Flecha del conductor (en m). Se deben estudiar primero los conductores más expuestos, o sea los más altos en líneas de configuración vertical, y los más externos en líneas de configuración horizontal. Luego se verifica si los demás conductores quedan también protegidos por la ubicación del cable de guardia. El ángulo de protección del cable de guardia en función de las distancias definidas anteriormente es el siguiente: ( ) ( ) (2.16) 17 Figura 2.4: Ángulo de protección teórico entre el cable de guardia y los conductores de fase. 2.3 Descarga de Rayos La descarga atmosférica, popularmente conocida como “rayo”, es un fenómeno natural observado, disfrutado o temido por el ser humano desde el mismo comienzo del uso de la razón por parte de la especie. Por el ambiente donde ocurren los rayos, la atmósfera terrestre y por las causas que se estiman les dan origen, ellos presentan las características propias de un fenómeno climático, es decir con estacionalidad del momento del año en el que pueden ocurrir con mayor probabilidad, pero con mucha variabilidad en cuanto a tipo, cantidad o intensidad de sus descargas. En términos generales podemos afirmar que el rayo es un fenómeno frecuente e inevitable como el viento, la lluvia o la nevada. [10] 2.3.1 Condiciones de Tormenta Ciertas condiciones atmosféricas (humedad, calor, celdas convectivas de aire, etc.), son propicias para la formación de nubes características de las condiciones tormentosas. Estas enormes masas nubosas generalmente del tipo cumulo-nimbus, están constituidas por una gran densidad de gotas de agua en su parte inferior lo que le confieren un color oscuro a la nube en su base y por cristales de hielo en su parte superior, los cuales le dan un color muy blanco. Bajo el efecto de violentas corrientes de aire ascendentes y descendentes internas, se opera una separación de las cargas eléctricas de esas partículas de agua. Esta separación finaliza con una concentración positiva en la parte superior de esas nubes, mientras que su base es cargada negativamente en la mayoría de los casos. A veces, una bolsa de cargas positivas queda atrapada dentro de la base negativa. Luego que 18 una nube de tormenta se forma arriba del suelo, se produce distribución de cargas sobre el suelo (cargas positivas) y otra en la base de la nube (cargas negativas). Bajo la influencia de las cargas negativas en la base de la nube, el voltaje entre la nube y tierra aumenta significativamente (puede incrementarse a 100 MV o más [11]), hasta que la rigidez dieléctrica del aire entre el suelo y la nube es superada, y una descarga atmosférica ocurre. Figura 2.5: Distribución de cargas eléctricas dentro de la nube. 2.3.2 Fenómenos Precursores de un Rayo La primera fase de la caída de un rayo es una pre descarga, ligeramente luminosa (trazador descendente) formada en el seno de la nube y progresando por saltos de algunas decenas de metros hacia el suelo (aproximadamente saltos cada 50 m). Simultáneamente, el campo eléctrico atmosférico al nivel del suelo aumenta en función de la aproximación del trazador descendente. En ese momento se aprecia la creación espontánea en la punta de ciertas estructuras (poste, pararrayos, objetos metálicos con punta, arboles, etc.) de una ionización natural, manifestada bajo la forma de emanaciones eléctricas azuladas: es el efecto de punta o efecto Corona. 19 Pto. de Decisión Trazador ascendente más rápido Figura 2.6: Trazador descendente. Cuando el trazador descendente se aproxima al suelo, la ionización debida al efecto Corona se refuerza, particularmente en las puntas de las asperezas, hasta generarse una descarga ascendente: Es el trazador ascendente que se desarrolla en dirección tierra - nube. Cuando uno de esos trazadores ascendentes y el trazador descendente se juntan, se crea un canal conductor que permite la circulación de una corriente muy intensa: es el rayo, caracterizado por un resplandor vivo (el relámpago) y un ruido producido por ondas de choque (el trueno). El golpe de un rayo puede estar formado por varias descargas sucesivas, separadas por algunas centésimas o milésimas de segundos, utilizando el mismo canal fuertemente ionizado. 20 Trazador Descendente Descarga de Retorno Figura 2.7: Descarga de retorno. 2.3.3 Clasificación de los Rayos La descripción hecha en la sección anterior supone un tipo de rayo denominado “negativo descendente”. Este tipo de rayo es el predominante en zonas abiertas o con construcciones de poca altura, es la descarga más común que impacta a las líneas de transmisión4. Es posible definir otros tres tipos de rayos. El nombre asociado a cada tipo tiene relación con la polaridad de la carga en la nube desde donde nace el trazador o donde se propaga y la dirección de éste. En algunos casos, se asocia el rayo con la polaridad que adquieren las superficies impactadas, como: el océano o la tierra. Los tres restantes tipos de rayos son los siguientes: 4 85% - 90% de los golpes de rayo en líneas de transmisión corresponde a descargas negativas descendentes. [12] 21 - - Rayo negativo ascendente: Es predominante en lugares donde existes estructuras altas, superiores a los 100 metros. Rayo positivo descendente: También llamado “súper rayo”, se produce en invierno en el inicio y el final de una tormenta y va desde el océano a la nube. Posee una corriente peak alrededor de 1,2 a 2,2 veces mayor que un rayo negativo descendente. Rayo positivo ascendente: No existen registros de este tipo de rayo, además es muy difícil distinguirlo con respecto a un positivo descendente. [12] 2.3.4 Nivel Ceráunico. El nivel ceráunico , corresponde al número de días al año en que tormentas han afectado una zona definida, se registra por la audición de un trueno [13]. Se trata de una información aparentemente muy aproximada, pero realmente útil. Por ejemplo en países de clima templado como Francia o Chile, el nivel ceráunico varía desde 5, en regiones costeras hasta 30 ó más en las regiones montañosas. En el resto del mundo, el nivel ceráunico puede ser mucho más elevado, por ejemplo, más de 180 en África tropical o Indonesia [14]. En la Figura 2.8 se muestra un ejemplo de un mapa mundial de nivel ceráunico. Figura 2.8: Mapa mundial de nivel ceráunico5. 2.3.4.1 Densidad de Caída de Rayos. En general para determinar el número de rayos que impactan a una línea por cada 100 kilómetros por año, es necesario conocer la densidad de caída de rayos 5 Fuente: World Meteorological Organization. (1956) 22 (rayos/km2 - año). Si el valor medido de estimado mediante la siguiente ecuación [15]: no está disponible, éste puede ser (2.17) Donde: : Densidad de caída de rayos (en rayos/km2-año). : Nivel Ceráunico (en Días de Tormenta/año). Por otra parte, es posible determinar el número de rayos que impactan a una línea principalmente en función de la altura de las estructuras. [15] ( ) (2.18) Donde: : Rayos que impacta una línea por cada 100 km por año. : Altura de las torres (en m). : Separación cables de guardia (en m), en caso de haber sólo un cable de guardia . 2.3.5 Parámetros de un Rayo La función de densidad de probabilidad de todos los parámetros de un rayo se comportan según una distribución Log – Normal [16]: ( ( ( ( ) (2.19) Donde: (2.20) Con: : Mediana. 23 : Desviación Estándar. En la siguiente tabla se ilustran los parámetros incluidos en la distribución Log Normal para cada uno de los valores característicos de un rayo. Tabla 2.6: Parámetros distribución Log - Normal. Parámetro Primera descarga M Tiempo de Frente (en Descargas Posteriores M ) 5.63 0.576 0.75 0.921 24.3 0.599 39.9 0.852 7.2 0.622 20.1 0.967 , Inicial 27.7 0.461 11.8 0.530 , Final 31.1 0.484 12.3 0.530 0.9 0.230 0.9 0.207 77.5 0.577 30.2 0.933 4.65 0.882 0.938 0.882 0.057 1.373 0.0055 1.366 35 1.066 Pendiente (en ) , Máximo Corriente de Cresta (en kA) Inicial/Final Tiempo de Cola (en ) Carga (en C) ∫ ( Intervalo entre descargas (en ms) El parámetro corresponde a la pendiente de frente de la onda de corriente de rayo, medida como la pendiente de una línea recta dibujada entre los puntos correspondientes al 30% y 90% de la corriente peak; tal como se aprecia en la Figura 2.9. El parámetro es el tiempo de frente medido de la misma manera para un voltaje de impulso de rayo. 24 T10/90 T30/90 T10 T30 Tiempo [µs] T90 I10 I30 S30/90 I90 I100 kA Figura 2.9: Definición de pendiente de frente. 2.4 Respuesta al Impulso de Rayo 2.4.1 Impedancia de Impulso Cualquier perturbación transitoria en una línea de transmisión, como un rayo que impacta en un conductor de fase, puede analizarse mediante el uso de ondas que viajan por los conductores con un cierto voltaje y corriente que están relacionadas por una impedancia igual a , dichas ondas transitan a lo largo de los conductores a una velocidad . La impedancia se denomina impedancia de onda o impedancia de impulso. e i v Figura 2.10: Onda viajera. 25 Tanto la impedancia de onda como la velocidad de propagación de la onda pueden obtenerse a partir de la inductancia y la capacitancia del medio de propagación de la onda, tal como se aprecia en la ecuación (2.21): √ (2.21) √ 2.4.1.1 Conductores de líneas aéreas Para un conductor de radio y a una altura del suelo, considerando la tierra con resistencia cero, la inductancia y la capacitancia están dadas por las ecuaciones (2.22) y (2.23) [12]: ( ) (2.22) ( ) (2.23) Donde: : Inductancia conductor (en µH/m). : Capacitancia conductor (en µF/m). : Altura (en m) a la que se encuentra el conductor, se puede determinar a partir de las características del terreno en el que se encuentra ubicada la línea, según la ecuación (2.15). : Radio conductor (en m). De la ecuaciones (2.21), (2.22) y (2.23), se obtiene la impedancia : ( ) (2.24) La impedancia mutua entre dos conductores queda: ( Con ) (2.25) y (en ), y considerando el método de las imágenes, las distancias se muestran en la Figura 2.11: y 26 r d12 D12 h1 h1 h2 h2 Figura 2.11: Definición de distancias. En el caso de conductores en haz, se puede obtener un radio equivalente utilizando la media geométrica de los conductores, es decir [11]: √ (2.26) Donde: : Corresponde al radio de los conductores (en m). : Distancia entre el conductor 1 y n (en m). Las distancias respectivas se aprecian en la Figura 2.12: 27 r13 r12 r14 2r11 r16 r15 Figura 2.12: Distancias en conductores fasciculados. 2.4.1.2 Factor de acoplamiento Si una onda viaja por un conductor con un voltaje y una corriente , una parte de ese voltaje se inducirá en cada uno de los conductores cercanos a este. Dicho voltaje tiene directa relación a la impedancia muta existente entre ambos conductores. Entonces es posible definir un factor de acoplamiento Ecuación (2.27): como se muestra en la (2.27) Para calcular el factor de acoplamiento entre el cable de guardia y los conductores de fase, el numerador de la formula que determina “C” corresponde al promedio simple entre las impedancias mutuas existentes entre cada conductor de fase y el o los cables de guardia y la “Impedancia de impulso equivalente” (denominador de la fórmula de “C”) corresponde a la impedancia del cable de guardia. En caso de haber 2 de estos se calcula según la ecuación (2.28): (2.28) Donde: 28 : Impedancia de onda propia de los cables de guardia (en Ω). : Impedancia de onda mutua entre ambos cables de guardia (en Ω). 2.4.1.3 Reducción de impedancia debido a Efecto Corona En general el fenómeno corona corresponde a una descarga parcial en un gas, localizada en una zona limitada del espacio y que no significa la pérdida completa de las propiedades aislantes del gas, por cuanto el resto del gas conserva sus propiedades dieléctricas originales. Se presenta en campos no uniformes, en zonas con grandes intensidades de campo, o cuando la dimensión de los electrodos es mucho menor que la distancia que los separa [17]. La existencia de un “radio corona” modifica la impedancia de onda calculada para un conductor, en particular la reduce. En la referencia [8] se muestra como determinar el radio corona y como incorporarlo al cálculo de la impedancia de onda propia de un conductor, la ecuación (2.29) muestra como determinar el radio corona (en m): ( ) (2.29) Donde: : Altura Promedio del conductor (en m). : Voltaje al que está sometido el conductor (en kV). : Gradiente de potencial crítico del aire en condiciones normales (en kV/cm, aproximadamente 15 ). En el caso del cable de guardia el voltaje que se utiliza en la (ecuación 2.29) corresponde al de la cima de la torre, el cual es difícil de determinar ya que depende directamente del valor de la corriente de rayo que impacta el cable de guardia o directamente la torre y la impedancia del cable de guardia. Por lo tanto para resolver la ecuación (2.29) para un cable de guardia se puede utilizar una tensión aproximadamente a 1,8 veces la tensión soportada por la aislación de la torre para un impulso de rayo [8]. La corrección que se le realiza a la ecuación (2.24) bajo efecto corona se muestra en la Ecuación (2.30): √ ( ) ( ) (2.30) 29 : Radio corona (en m). : Radio del conductor (en m). 2.4.1.4 Impedancia de impulso de la Torre Durante condiciones de sobrevoltajes de origen externo, corrientes con altas tasas de cambio ( ), pueden circular por los sistemas de transmisión. Las estructuras de apoyo no están exentas de este fenómeno por lo cual es necesario determinar aproximadamente cómo se comporta una torre frente a impulsos de rayos. Investigadores han calculado impedancias de impulsos de torres equivalentes para distintas formas onda, con cual se han obtenido diferentes modelos geométricos para determinar dicha impedancia, en particular [8]: ( ( ( ( (√ ) ( ) ( ) ( ) ( ) ) ) Figura 2.13: Aproximación de impedancias en impulsos de torres. Además, el tiempo de viaje de la onda ( en en la torre desde la cima hasta tierra se puede aproximar para cualquier tipo de estructura según la ecuación (2.31): (2.31) Con: 30 : Altura de la torre (en m). 2.4.2 Respuesta al impulso de electrodos de tierra Es generalmente aceptado que la resistencia de un electrodo de tierra decrece con la aplicación de altas corrientes debido a la ionización del terreno. [18] (2.32) Con: : Medida o cálculo de resistencia de puesta a tierra a baja corriente a pie de torre (en Ω). : Resistencia de tierra de alta corriente (en Ω). Para establecer la relación que existe entre y es necesario determinar la corriente critica para la cual se produce ruptura del suelo. Para corrientes altas, como las de un rayo, el gradiente de potencial presente en el suelo, puede exceder el gradiente crítico para el cual se produce ruptura de suelo. Es decir, como la corriente aumenta, se producen descargas que evaporan la humedad de la superficie, lo que a su vez produce arcos eléctricos. El terreno, al ser solicitado por corrientes de impulso típicas de descargas atmosféricas del tipo rayo, presenta dos mecanismos de conducción de la corriente, uno de tipo electrolítico y otro denominado conducción por medio de canales. En el caso del mecanismo electrolítico de conducción de la corriente, el agua contenida en el suelo disuelve sales, ácidos, etc. formando soluciones tales que se obtiene en el terreno un medio del tipo conductivo. Un electrodo enterrado en un medio de estas características presentará un valor de resistencia de puesta a tierra que permanecerá constante, si la cantidad de agua no cambia sustancialmente. Cuando la densidad de la corriente que fluye de la superficie metálica del electrodo hacia el terreno es baja y por lo tanto la intensidad del campo eléctrico es baja (no más de 200 a 400 kV/m de acuerdo a resultados experimentales), se estará en presencia de una conducción solamente de tipo electrolítica y en general la tensión total de tierra seguirá las variaciones de la corriente. Al aumentar la densidad de corriente que fluye desde la superficie del conductor hacia el terreno, en el entorno inmediato del conductor se produce una elevación de la temperatura del terreno debido al efecto Joule, de tal forma que se provoca una evaporación de la humedad, un aumento de la resistencia entre partículas conductivas 31 del terreno y un aumento de la intensidad de campo eléctrico en un tiempo bastante breve. Se establecen por lo tanto, desde la superficie del conductor, descargas eléctricas que cortocircuitan la resistencia relativamente alta entre partículas conductivas del terreno, esto conlleva a la creación de una zona limitada de descarga inmediata al conductor, primero en forma de chisporroteo y luego a medida que la intensidad de campo eléctrico sigue aumentando, en forma de arco o como verdaderos canales de descarga precedidos de ramificaciones de chispas [19]. Conducción electrolítica Conducción por descarga Figura 2.14: Zonas de conducción en el terreno. Existirá, por lo tanto, un valor de intensidad de campo eléctrico critico “E0” característico del terreno, a partir del cual se producirán las descargas indicadas.La corriente necesaria para lograr el gradiente crítico se denota como y está determinada por la ecuación (2.33) [20]: (2.33) Donde: : Gradiente de potencial (aproximadamente [12]) : Resistividad del terreno (en Ω – m). 32 La resistencia a pie de la torre se puede expresar en función de la corriente crítica Ig, la corriente que pasa a través del electrodo de tierra IR y la resistencia medida a baja frecuencia R0, con lo cual se tiene la ecuación (2.34): √ (2.34) Donde: : Corriente a través de la resistencia de puesta a tierra (ecuación (2.39)) 2.4.3 Impacto de un rayo en la estructura Pese a la existencia de cables de guardia en las líneas de transmisión, gran parte de los impactos de rayos en las líneas ocurren directamente en la torre. En las referencias [12] y [21] se determinan las ecuaciones para obtener los voltajes presentes en la estructura luego de la caída de un rayo con corriente I, los cuales se muestran en la ecuación (2.35): ( ( (2.35) Donde: : Voltaje en la ménsula del cable de guardia (en kV). : Voltaje en algún punto A en la estructura (en kV). : Voltaje final6 en la estructura (en kV). : La resistencia equivalente (vista por el rayo), entre el cable de guardia, la torre y la resistencia de puesta a tierra (en Ω). : Corriente de rayo (en kA). Las constantes involucradas en la ecuación (2.35) son las que se muestran en la ecuación (2.36): 6 En función del tiempo, se derivan las expresiones para el valor de la tensión en la torre como si se tratara de régimen permanente. 33 (2.36) ( [( ( ) ( ( ) ) ] Además los coeficientes de reflexión y transmisión se aprecian en la ecuación (2.37): (2.37) La resistencia equivalente (vista por el rayo), entre el cable de guardia, la torre y la resistencia de puesta a tierra, está dada por la ecuación (2.38): (2.38) Donde: : Impedancia de impulso de la torre (en Ω) (Figura 2.13). : Resistencia de puesta a tierra de alta corriente (en Ω). : Impedancia de impulso cable de guardia (ecuación (2.24), en Ω). : Tiempo de viaje de la onda en el vano (en µs). : Tiempo de frente del rayo (en µs). : Tiempo de viaje de la onda a través de la torre (en µs). : Tiempo de viaje de la onda desde cualquier punto A de la torre a tierra (en µs). Gráficamente se aprecia en la Figura 2.15: 34 Figura 2.15: Voltajes presentes en la estructura luego del impacto de un rayo. Por otra parte, la corriente a través de la resistencia de puesta a tierra ( ) se calcula según la ecuación (2.39) en función de la corriente de rayo: (2.39) 2.5 Arco Inverso Los cables de guardia dispuestos en las torres de alta tensión tienen como propósito apantallar los conductores de fase y minimizar la cantidad de rayos que caen sobre ellos. Por consiguiente cuando un rayo cae en un cable de guardia o impacta en una torre, altas corrientes viajan a lo largo del cable de guardia y a través de las estructuras hacia tierra, produciéndose sobretensiones temporarias que solicitan la aislación de la torre, tal como se explica en la sección 2.4.3. Si esas sobretensiones son superiores al voltaje crítico de la aislación (CFO), se produce una descarga eléctrica entre estructura y conductor. Este evento se denomina arco inverso o backflashover en contraposición al denominado flashover que se produce cuando el sobrevoltaje está presente en el conductor energizado y no en la estructura o el cable de guardia o tierra. 35 2.5.1 Corriente Crítica de Rayo En primer lugar, el voltaje cresta (en kV – cresta) que aparece a través de la aislación durante la caída de un rayo es generado, entre otros factores, por el valor de la resistencia de puesta a tierra y está dado por la ecuación (2.40) (ver Figura 2.15) [12]: [ ] (2.40) Para que se produzca un arco inverso, el voltaje a través de la aislación debe ser mayor o igual al voltaje crítico (CFO, ecuación (2.9)) de la aislación. Este CFO será distinto del CFO normalizado para una onda de 1,2/50 µs, debido a que la forma de onda podría ser significativamente diferente. Por lo tanto se llamará CFONS, es decir CFO no – estándar. Remplazando en la ecuación (2.40) VI por CFONS, se obtendrá la corriente crítica ( en kA) para la cual se produciría un arco inverso, por lo tanto se obtiene la ecuación (2.41): (( (2.41) ( Donde , corresponde a la contribución de la tensión a frecuencia industrial. La tensión a frecuencia industrial se podría sumar o restar dependiendo de la polaridad en el conductor de fase. Para efectos del cálculo de la corriente crítica, se considera como un valor constante, ya que los tiempos involucrados son muy pequeños. Para mayor precisión en el cálculo de la corriente crítica Ic, se debería considerar la contribución de la tensión a frecuencia industrial de cada una de las fases de él o los circuitos de la línea, pero por simplicidad se considera un valor promedio, el cual depende principalmente de la configuración de fases de la línea, el cual se aprecia en la ecuación (2.42) [21]. √ √ (2.42) Donde: : Tensión nominal de la línea entre fases (en kV). : Constante que depende de la configuración de fases de la línea. Los valores recomendados para [12], son los siguientes: dependiendo de la configuración de fases en 36 𝐻 { Por otra parte la relación entre CFO y CFONS, es la que se muestra en la ecuación (2.43) [21]: ( )( ) (2.43) Con: (2.44) Donde: : Constante de tiempo que modela la reducción de la cola de un impulso de rayo cuando viaja a lo largo de un vano (en µs). : Inductancia del cable de guardia (ecuación (2.22), en µH/m). : Tiempo de viaje de la onda en el vano (en µs). : Impedancia de impulso del cable de guardia (ecuación (2.24), en Ω). 2.5.2 Tasa de Falla Producida por Arco Inverso La probabilidad de que se produzca un arco inverso es la probabilidad que la corriente de una descarga atmosférica sea igual o superior a . Dicha probabilidad se muestra en la ecuación (2.45): ( ( ∫ ∫ ( | ) ( ) (2.45) Dónde: ( | ) : Función de densidad de probabilidad condicional de I dado tf. ( ) : Función de densidad de probabilidad de tf. Con tf, tiempo de frente de la onda de impulso de rayo (en µs). 37 La tasa de fallas producidas por arco inverso (BFR), corresponde a la probabilidad de que la corriente de rayo exceda la corriente crítica multiplicada por el número de rayos que impacta la línea (NL, ecuación (2.18)). ( (2.46) Esta tasa de fallas por arco inverso ha sido desarrollada para impactos de rayos en la torre misma, pero en general cierta cantidad de descargas caen sobre el cable de guardia y se dispersa hacia los vanos adyacentes por lo que el BFR antes determinado se multiplica por 0,6 de acuerdo a lo que se recomienda en [12] [21]. ( (2.47) La unidad que en que se mide el BFR es (fallas/100 km – año). Por otra parte, cuando un rayo de corriente impacta directamente en el cable de guardia, la cresta de voltaje en el punto de impacto será ( . Sin embargo reflexiones en torres adyacentes reducen este voltaje [21]. I, tf Cable de Guardia TST Torre TT TT TS Torre Ri Ri Figura 2.16: Definición de tiempos cuando un rayo impacta en cable guardia. Si tf es mayor que ( , el voltaje peak ocurrirá en el punto de impacto y el voltaje decrecerá a medida que la distancia al punto donde golpea el rayo aumenta, como se aprecia en la Figura 2.17. 38 Voltaje en el cable de guarida [P.u.] p.u. Torre Mitad del Vano Ubicación en el Vano Torre Figura 2.17: Voltajes en el cable de guardia, dependiendo de la ubicación del impacto en el vano 7. Si bien un arco puede ocurrir en el medio del vano en el instante cuando un rayo impacta directamente el cable de guardia (desde el cable de guardia hacia un conductor de fase), son insignificantes con respecto a los ocurridos en la estructura misma, debido a que el espaciamiento en aire en el vano es mayor al presente en la estructura. Por lo tanto pueden ser despreciados [21]. El desempeño de una línea de transmisión frente a la caída de rayos está influenciado por la resistencia de puesta a tierra individual de cada una de las estructuras. Unas pocas estructuras ubicadas en un suelo con una alta resistividad y defectuosa puesta a tierra pueden degradar el desempeño de la línea. Cuando esto ocurre, el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso debería hacerse separadamente por tramos donde la resistencia de puesta a tierra sea similar. Los resultados se deben combinar para obtener la tasa de fallas conjunta de toda la línea (ver más adelante en el apartado 4.5), como lo muestra la siguiente ecuación [15]: (2.48) 7 Con: Ri = 20 [Ω] y TS = 1 [µs] 39 Donde: : Tasa de fallas “total” de la línea. : Corresponde al largo de la sección de línea “n” con resistencia de puesta a tierra homogénea. : Tasa de falla calculada para un sección “n” de la línea. 40 3. Desarrollo de un Modelo para el Cálculo de RPAT8 en Función del Arco Inverso En este capítulo se describe la construcción de un modelo, el cual permite determinar el valor de la resistencia de puesta a tierra a pie de torre en líneas de transmisión de alta tensión. La metodología consiste en realizar un procedimiento para calcular la tasa de fallas producida por arco inverso, para luego determinar una tasa de falla de diseño y con esta información determinar qué valor de resistencia de puesta a tierra deben tener las estructuras. Dicho procedimiento se realizara en VBA (Visual Basic for Applications), lenguaje de macros de Microsoft Visual Basic que se utiliza para programar aplicaciones Windows y que se incluye en varias aplicaciones Microsoft, en particular se realizó en Microsoft Excel. El código del programa se muestra en el Anexo 1. 3.1 Programa de Cálculo de Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso El programa consiste principalmente en utilizar las ecuaciones que se describieron en los puntos 2.5.1 y 2.5.2 del capítulo 2. Con respecto a la ecuación que permite calcular la probabilidad que la corriente de una descarga atmosférica sea superior o igual a descrita en la ecuación (2.45), es posible realizar una simplificación. Dicha probabilidad se determina a partir de la función de densidad de probabilidad condicional de I (intensidad de la corriente de rayo) dado el tiempo de frente ( ) de la onda de rayo. A modo de simplificación, es deseable independizar el cálculo de la probabilidad de ocurrencia de arco inverso del tiempo de frente ( ), esto es posible de realizar con la expresión que relaciona (en kA) y (en µs) [21] [12], que se muestra en la ecuación (3.1): (3.1) Luego el cálculo del BFR queda determinado por la ecuación (3.2) y se convierte en un proceso iterativo en : ( 8 (3.2) RPAT: Resistencia de puesta a tierra a Pie de Torre. 41 Con: ( ∫ ( (3.3) Donde: ( : Función de densidad de probabilidad Logarítmico-Normal que modela la intensidad de corriente de un rayo. Además, la probabilidad ( se puede escribir en función de la probabilidad Logarítmico-Normal Acumulada, como se muestra en la ecuación (3.4): ( ( (3.4) Donde: ( : Función de densidad de probabilidad Logarítmico-Normal Acumulada, función disponible en Microsoft Excel (programa en el cual se desarrolla el modelo), cuyos parámetros fueron descritos en el punto 2.3.5. En la Figura 3.1 se muestra un diagrama de flujo simplificado del programa de cálculo de la tasa de fallas producida por arco inverso: 42 Inicio Recepción de datos Cálculo de Impedancias R0 = 0 R0 = R0 + 1 Calculo Corriente Critica Ic Cálculo del BFR ¿Es R0 = Rmáx? No Si Muestra Resultados Fin Figura 3.1: Diagrama de flujo simplificado del programa de cálculo BFR. El programa comienza con la recepción de los datos necesarios para desarrollar el cálculo, los cuales se definirán en la Sección 3.2.1. Luego se calculan las impedancias de impulso de los conductores de fase, cable de guardia ( y de la 43 torre (dependiendo del tipo de torre, anterior en la sección 2.4.1. ), con las expresiones descritas en el capítulo Como ya se dijo, el programa consiste en determinar la tasa de fallas producidas por el fenómeno de arco inverso (BFR) y con esta información determinar cuál debe ser el valor de la resistencia de puesta a tierra a pie de torre para lograr una tasa de falla deseada. En primera instancia no es posible determinar cuál debe ser la resistencia de puesta a tierra directamente, por lo que se debe realizar el cálculo del BFR para varios valores de resistencias. En particular, en este trabajo se calcula la tasa de fallas para resistencias de puesta a tierra de baja corriente ( ) entre 1 y 150 Ω (Rmáx), con intervalos de 1 Ω. El cálculo de la corriente crítica de rayo para la cual se produciría arco inverso, es un proceso iterativo, donde dos bucles son requeridos, el bucle externo para el tiempo de frente del impulso de rayo y el bucle interno para la resistencia de impulso de los electrodos de puesta a tierra de alta corriente . Primero se selecciona el tiempo de frente inicial: para líneas entre 115 – 230 kV, un tiempo de frente de 2,5 µs es apropiado; para líneas de 345 kV o superior, un tiempo de frente de 4,0 µs es sugerido [12]. En seguida, se supone un valor de alrededor de 50% de la resistencia de tierra de baja corriente y se resuelve (corriente crítica para la cual se produciría arco inverso) [12]. Luego de calculado e (corriente a través de la resistencia de puesta a tierra), se determina a partir de . Si no está dentro del grado de precisión deseado con respecto al valor inicial, se itera sobre . Cuando el valor de es satisfactorio (| frente a partir de la corriente crítica tiempo de frente supuesto (| BFR. ( ( ( ( | ), se calcula el tiempo de obtenida y si este no coincide con el | )9, se itera. Finalmente se calcula el El diagrama de flujo del cálculo de la corriente crítica se muestra a continuación en la Figura 3.2: 9 Donde y corresponden a una tolerancia deseada. 44 Selecciono Selecciono = ( = 0 = √1 + Es No ( | ( +1 |<ε ? Si 0,53 = 0,207 Es | ( ( +1 |< No ? Si Calculo de BFR Figura 3.2: Diagrama de flujo del cálculo de la corriente crítica. 45 3.1.1 Simplificación del Modelo Si la componente de voltaje de la torre puede ser despreciado, el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso se ve bastante simplificado, debido a que el tiempo de frente del impulso de rayo ( ) deja de ser un parámetro relevante en el método y la impedancia de impulso de la torre ( ) no es considerada; es decir, las constantes y son iguales a la resistencia equivalente (vista por el rayo), entre el cable de guardia, la torre y la resistencia de puesta a tierra ( ), y la constante es igual a uno (ecuación (3.36)). Las limitaciones asociadas a esta simplificación se discutirán en el capítulo siguiente. Al realizar la simplificación, el ciclo más externo del cálculo de la corriente crítica de rayo , para la cual se produciría arco inverso y que se aprecia en la Figura 3.2, depende exclusivamente del tiempo de frente de la onda de rayo, puede ser eliminado. El voltaje a través de la aislación en las condiciones descritas previamente se muestra en la ecuación (3.5): ( (3.5) Tal como se hizo antes (sección 2.5.1 Corriente Crítica de Rayo), se remplaza en la ecuación (3.5) el voltaje por el voltaje crítico soportado por la aislación en condiciones no – estándar. Con lo que se tiene la corriente critica , ecuación (3.6). ( (3.6) Donde: : Voltaje crítico de la aislación en condiciones no – estándar, en kV – cresta. (ver ecuación (2.43)). : Contribución de la tensión a frecuencia industrial, en kV. (ver ecuación (2.42)) : Resistencia equivalente (vista por el rayo), entre el cable de guardia, la torre y la resistencia de puesta a tierra, en Ω. (ver ecuación (2.38)) : Factor de acoplamiento entre el (o los) cable (s) de guardia y los conductores de fase. (ver ecuación (2.27)) Además, al no considerar la componente de voltaje de la estructura las contantes , y no están involucradas en el cálculo de la corriente crítica (ecuación (3.6)). Por lo tanto el nuevo diagrama de flujo para la determinación de la corriente crítica es el que se muestra en la Figura 3.3. 46 Selecciono = (1 = ) +2 = 0 = √1 + Es | ( ( +1 |<ε ? No Si Calculo de BFR Figura 3.3: Diagrama de flujo del cálculo de la corriente crítica, método simplificado. 47 3.2 Interfaz del Programa para el Cálculo de la RPAT La interfaz del programa fue desarrollada por medio de un Formulario de Microsoft Excel, con el fin facilitar la introducción de datos y también ayudar a evitar errores para los usuarios. 3.2.1 Datos de Entrada Los datos de entrada del programa de cálculo, se dividen en dos ítems: - Datos específicos de la línea y el trazado. Distancias de los conductores. Datos específicos de la línea y el trazado: Corresponden a valores propios de la zona en donde está ubicada la línea como por ejemplo: resistividad del terreno (en Ωmetro) y nivel ceráunico (en Días/Año), y otros parámetros específicos como: tensión nominal entre fases (en kV), voltaje crítico de impulso de rayo de la cadena de aisladores (CFO, en kV-cresta), número de circuitos, disposición de fases y largo vano (en metros). En la Figura 3.4 se muestra la ventana dispuesta para la recepción de los datos específicos de la línea. Figura 3.4: Datos específicos de la línea. Distancias de los conductores: corresponde a las distancias a la que se encuentran los conductores con respecto al eje de la estructura. Las distancias en el eje “X” corresponden al valor absoluto de la distancia horizontal con respecto al centro de la torre y las distancias en el eje “Y” corresponden a alturas promedio de los conductores con respecto al suelo (ecuación 2.15), las cuales dependen de la altura de sujeción de la cadena de aisladores a la estructura, el largo de la cadena de aisladores, la flecha promedio de la línea y el tipo de terreno en que se encuentre el tramo de línea (terreno plano, terreno ondulado o terreno montañoso), según la ecuación (2.15). En la Figura 3.5 se aprecian los ejes solidarios a la estructura y la ventana de recepción de las distancias de los conductores. 48 Figura 3.5: Distancia de los conductores de guardia y de fase en la estructura. 3.2.2 Datos de Salida En la hoja de cálculo de Microsoft Excel se despliega una tabla con los valores de corriente crítica para la cual se produce arco inverso, tasa de fallas producidas por arco inverso y el voltaje crítico resistido por la aislación, para cada valor de resistencia simulado. Tabla 3.1: Ejemplo de los datos de salida del programa. Ro (Ω) 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 CFOns (kV cresta) 902,83 915,00 926,89 938,21 948,46 958,41 967,78 976,59 984,85 992,60 999,34 1006,01 1012,23 1018,03 1023,44 Ic (kA) 288,96 155,22 108,65 85,43 72,11 62,98 56,52 51,72 48,03 45,11 42,91 40,98 39,38 38,03 36,88 BFR (fallas/100km – año) 0,00026 0,04196 0,38799 1,31546 2,73133 4,54007 6,50799 8,48507 10,37828 12,13839 13,63159 15,06104 16,34165 17,48498 18,50433 Luego se grafica la tasa de fallas producidas por arco inverso en términos de fallas/ 100 km – año, en función de la resistencia de puesta a tierra a pie de torre. Donde la curva obtenida es estrictamente creciente y comienza a saturarse a medida que la resistencia de puesta a tierra crece, tal como se muestra en la Figura 3.6. El ejemplo se realizó para una línea de 220 kV y un nivel ceráunico de 30. 49 Fallas por cada 100 km de Línea por año Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 Resistencia de Puesta a Tierra a Pie de Torre [Ohms] Figura 3.6: Tasa de fallas producidas por arco inverso vs Resistencia de puesta a tierra. 50 4. Discusión de Resultados 4.1 Limitaciones del Modelo Las ecuaciones desarrolladas para estimar la tasa de fallas producidas por arco inverso (BFR), incluyen la componente de voltaje de la torre y el tiempo de frente de la onda de voltaje de rayo. Sin embargo, un análisis de sensibilidad indica que en el cálculo del BFR se puede realizar una simplificación adicional, despreciando este componente de voltaje para torres cuya altura es menor a 50 metros. Considerando las imprecisiones inherentes de las técnicas de estimación, esta simplificación adicional puede ser usada para obtener una aproximación rápida del BFR para torres más altas [21]. La altura de una torre depende de diversos factores propios de cada línea de transmisión, como el largo del vano, el voltaje nominal, la topografía del terreno, etc. Pero analizando las alturas de las torres para líneas de transmisión, lo más común es que estas varíen entre 35 y 40 metros para torres con disposición vertical de fases y entre 28 y 31 metros las torres con disposición horizontal, como muestran la Figura 4.1 y la Figura 4.2. Por lo tanto para las torres más comunes en líneas de voltajes hasta 220 kV e incluso 500 kV no deberían existir grandes problemas con el error que se produce en el método de cálculo simplificado de BFR con respecto a la altura de las estructuras. 6 - 9 (m) 28 - 40 (m) 19 (m) 22 (m) 25 (m) 28 (m) 31 (m) Figura 4.1: Alturas más comunes en torres de líneas de 500 kV. 51 6 (m) 5 (m) 5 (m) 35 - 46 (m) 19 (m) 22 (m) 25 (m) 28 (m) 31 (m) Figura 4.2: Alturas más comunes en torres de líneas de 220 kV. 4.2 Comparación de Resultados Obtenidos La comparación entre las tasas de fallas previstas con las tasas de fallas actuales en una línea de transmisión es a menudo una tarea incierta. En primer lugar, solo existen un número reducido de datos de campo disponibles. En segundo lugar, incluso si los parámetros físicos están adecuadamente definidos (usualmente no lo están), nunca existe la certeza de cómo la resistencia de puesta a tierra fue medida, como el terreno circundante afecta el desempeño de la línea frente a caídas de rayos, y más importante, cual es la densidad de caída de rayos de la zona en cuestión. Finalmente, es muy difícil determinar exactamente si una interrupción de servicio fue producto de la caída de un rayo. [22] Ciertos grupos dedicados a estudiar el rendimiento de las líneas frente a las descargas atmosféricas, han recolectado datos de desempeño de líneas. De estos datos, algunos han sido publicados [23]. Varias líneas fueron seleccionadas para tener una documentación adecuada de las tasas de fallas producidas por descargas atmosféricas. En el documento “Lightning Performance of TVA’s 500 kV and 161 kV Transmission lines”10 [23], se muestran detalles de diseño y tasas de fallas de varias líneas de 161 y 500 kV pertenecientes al sistema eléctrico de Tennessee, EE.UU. 10 El valor de 161 kV, corresponde al valor de tensión de 154 kV usado en Chile, aumentado 5%. 52 (Tennessee Valley Authority, TVA) recopilados en un periodo de 14 años. En el Anexo 2 y 3 se muestra la totalidad de los datos de las líneas de 500 kV y algunas de 161 kV pertenecientes al TVA. En cuanto a datos topográficos del área en donde se ubica el TVA, se distinguen diferentes tipos de zonas: - Terreno Plano: Altitud de 60 a 200 metros sobre el nivel del mar. Terreno con colinas: Altitud de 200 a 400 metros sobre el nivel del mar. Terreno Montañoso: Altitud de más de 400 metros sobre el nivel del mar. En cuanto a la resistividad del terreno, este varía desde 10 Ω-m en terreno arcilloso hasta 3000 Ω-m en terreno areno - rocoso. Predominando valores entre 600 a 700 Ωm. Además los niveles ceráunicos están en general entre 50 y 60 días de tormenta al año. Para realizar la comparación entre las tasas de fallas calculadas con el programa descrito en el Capítulo 3 con tasas de fallas reales de líneas de transmisión, se escogieron un par de líneas de 500 kV y 161 kV con sus respectivos datos de diseño y los datos recopilados en terreno. Los cuales se describen a continuación: 500 kV: La primera línea de 500 kV fue energizada en 1965 y salvo las últimas en entrar en servicio, todas las líneas han tenido el mismo diseño: - Simple circuito Estructura metálica 24 aisladores de 254 mm de diámetro y 146 mm de paso.11 Cable de Guardia 7 No. 9 Alumoweld, 9,6 mm de diámetro. 3 conductores por fase en configuración triangular, tipo ACSR, 954 MCM. El resto de los datos de las líneas a analizar son: 11 Una cadena de 24 aisladores posee un voltaje critico para impulso de rayo de 1846 [kV-cresta] [28] 53 Widows Creek Sequoyah Nombre Fecha puesta en Servicio Largo (en km) Tipo de Torre Altura del conductor (Hc en m) Altura del Cable de guardia (Hg en m) Resistencia de puesta a tierra Máxima (en Ohm) Mínima (en Ohm) Promedio (en Ohm) Elevación máxima del conductor (en m.s.n.m) Nivel Ceráunico Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) Bull Run - Wilson Tabla 4.1: Datos líneas de 500 kV. Abr-73 223,15 A Abr-72 79,6 A 22,15 23,57 31,7 33,07 450 0,9 40 225 0,5 45,9 790 55 682 55 1,45 1,16 Las distancias presentes en la estructura son las que se muestran en la Figura 4.3: 54 10.14 m 10.14 m 4.66 m Hg 12.2 m 12.2 m Hc Figura 4.3: Estructura 500 kV. Los resultados luego de comparar se muestran en la Tabla 4.2: Tabla 4.2: Comparación tasas de fallas calculadas y reales, líneas de 500 kV. Línea Bull Run - Wilson Tasa de Tasa de Falla Calculada Falla Real Resistividad (en Ω-m) BFR 500 0,10 900 0,69 1,45 1300 1,47 1500 1,81 Línea Widows Creek - Sequoyah Tasa de Tasa de Falla Calculada Falla Real Resistividad (en Ω-m) BFR 500 0,10 900 0,78 1,16 1300 1,71 1500 2,19 161 kV: El sistema TVA usa una gran variedad de diseño para sus líneas de 161 kV. Diferentes secciones de conductores han sido seleccionadas para los requerimientos de potencia de las líneas, además múltiples tipos de torres han sido utilizados. En particular se analizará una línea de simple circuito (tipo C, Figura 4.4) y otra de doble circuito (tipo D, Figura 4.5), cuyas estructuras se muestran en las Figuras 4.4 y 4.5. 55 Dg Dg 2.01 [m] Hg Dc1 Dc1 Hc1 Figura 4.4: Estructura de simple circuito 161 kV (Tipo C). Dg Dg 2.01 [m] Dc1 Dc1 Dc2 Dc2 Hg Hc3 Hc2 Dc1 Dc1 Hc1 Figura 4.5: Estructura de doble circuito 161 kV (Tipo D). El resto de los datos de las líneas a analizar son los siguientes: 56 Appalachia - E. Cleveland No. 2 Colbert Reynolds No. 2 Tabla 4.3: Datos líneas de 161 kV. 1,57 0,37 Nombre Feb-55 Jul-54 Fecha puesta en Servicio 36,39 38,35 Largo (en km) C D Tipo de Torre Dimensiones (en m) 15,06 19,94 Hc1 24,04 Hc2 28,47 Hc3 21,49 34,9 Hg 6,3 4,14 Dc1 4,9 Dc2 5,03 4,9 Dg 12 11 11 No. Aisladores Elevación máxima del 742 290 conductor (en m.s.n.m) 361 336 Vano Promedio (en m) 636 ACSR 795 ACSR Tipo Conductor 7/16'' HSS 7/16'' HSS Tipo Cable de Guardia Resistencia de puesta a tierra 27,5 47 Máxima (en Ohm) 3,7 0,1 Mínima (en Ohm) 13,9 10,9 Promedio (en Ohm) 55 55 Nivel Ceráunico Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) Los resultados luego de comparar se muestran en la Tabla 4.4: 12 Una cadena de 11 aisladores posee un voltaje critico para impulso de rayo de 918 (en kV-cresta) [28] 57 Tabla 4.4: Comparación tasas de fallas calculadas y reales, líneas de 161 kV. Línea Appalachia - E. Cleveland Tasa de Tasa de Falla Calculada Falla Real Resistividad (en Ω-m) BFR 300 0,30 700 0,89 1,57 1000 1,11 1500 1,35 Línea Colbert – Reynolds Tasa de Tasa de Falla Calculada Falla Real Resistividad (en Ω-m) BFR 300 0,25 700 0,62 0,37 1000 0,73 1500 0,87 Las tasas de fallas reales de las líneas analizadas consideran el total de las fallas producidas por impacto de rayo; es decir, tanto las fallas producidas por arco inverso, como las fallas de blindaje de las líneas en cuestión. Sin embargo para la gran mayoría de las líneas especialmente las que poseen dos cables de guardia (como en este caso) las fallas de blindaje se consideran despreciables, ya que la totalidad de los rayos que terminan en la línea rara vez impactan en los conductores de fase al poseer éstas un buen apantallamiento. Incluso es posible lograr que las fallas de blindaje sean prácticamente cero [21]. Las tasas de fallas previstas de la Tabla 4.2 y la Tabla 4.4 fueron calculadas considerando los datos propios de diseño (Tabla 4.1 y Tabla 4.3) y las resistencias de puesta a tierra promedio de cada una de las líneas. Por otro lado, no se tiene el valor exacto de la resistividad del terreno para cada una de las líneas analizadas, por lo que se optó por simular la tasa de fallas producidas por arco inverso para diferentes valores de resistividades presentes en la zona en la cual se encuentra ubicado el sistema de interconectado de Tennessee (entre 300 y 1500 Ω-m). Debido a las razones recién expuestas no se logró realizar una comparación más precisa, sin embargo es posible apreciar que los resultados obtenidos están en el orden de magnitud de las tasas de fallas reales. Para poder realizar una comparación más exacta, es necesario conocer en detalle el trazado de la línea y las condiciones geográficas en el entorno de ésta, con el fin de dividir la línea en zonas con características similares (por ejemplo: resistividades y resistencias de puesta a tierra homogéneas) y determinar la tasa de fallas por separado, para luego determinar la tasa de fallas total por medio de la ecuación (2.48). 58 4.3 Otros Métodos para Mejorar la Tasa de Fallas Producidas por Rayos Los propietarios de sistemas de transmisión –privados, públicos, grandes o pequeños– se enfrentan a una agudización de la competencia que exige una mayor disponibilidad y fiabilidad de las redes. Los consumidores exigen cada vez más, puesto que sus procesos dependen de un suministro energético de buena calidad, constante y fiable [24]. Por este hecho es necesario que las líneas de transmisión posean un buen comportamiento con respecto al impacto de rayos. En general, mejorar el valor de la resistencia de puesta a tierra en las estructuras no es la única forma de mejorar el desempeño de las líneas frente a las descargas atmosféricas. A su vez, no siempre es posible lograr un valor de resistencia de puesta a tierra deseado o puede ser inviable económicamente (ya sea por la accesibilidad al lugar de ubicación de la torre o el tipo de terreno en que se realiza la puesta a tierra). A continuación se mencionan algunos procedimientos que pueden prevenir las fallas producidas por rayos con el fin de aumentar la fiabilidad y la disponibilidad de un sistema de transmisión. Aumentar el voltaje soportado por la cadena de aisladores El voltaje crítico de la aislación es un parámetro muy relevante en el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso, por lo tanto aumentar el número de aisladores en una cadena de aisladores (o aumentar la distancia de fuga de la cadena), mejora de forma significativa el comportamiento de la línea. Tal como se muestra en la Figura 4.6, donde se simuló una línea de 220 kV para dos valores distintos de voltaje crítico de la aislación. Este método puede resultar caro debido a un mayor recrecimiento de las estructuras para mantener las distancias al suelo y espaciamientos en aire y a la vez causar otros problemas, como la necesidad de una mayor coordinación de aislamiento con los equipos de la subestación. 59 Fallas por cada 100 km de linea por año BFR vs Ro 14 12 10 8 6 4 CFO = 950 kV cresta 2 CFO = 1050 kV cresta 0 0 10 20 30 40 50 Resistencia de puesta a tierra (Ohms) Figura 4.6: Tasa de fallas producida por arco inverso para dos valores de voltaje critico de la cadena de aisladores de una línea de 220 kV. Apantallamiento de conductores de fase Esto quiere decir, adicionar cables de guardia en caso de que no existan o aumentar a dos en caso de solo existir uno. Al existir un buen ángulo de protección de parte del cable de guardia hacia los conductores de fase, se reducen las fallas de blindaje de las líneas de transmisión. A su vez, al haber dos cables de guardia en vez de uno se reduce la tasa de fallas producidas por arco inverso, ya que la impedancia del cable de guardia disminuye (ver Sección 4.4). Instalar más de dos cables de guardia no se visualiza ser viable. Si no estaba previsto en el diseño original de las torres, puede ser costoso instalar posteriormente el cable de guardia. El apantallamiento de los conductores de fase ayuda a eliminar muchas interrupciones, pero no es suficiente para conseguir el grado de fiabilidad que se requiere ahora. Apertura y reconexión automática de interruptores La apertura y reconexión automática (monopolar y tripolar) minimiza las interrupciones de suministro en fallas transitorias y ha sido el método más común empleado para aumentar la confiabilidad en líneas de transmisión. Para la apertura y reconexión, se requieren mecanismos de accionamientos monopolares en cada interruptor [25]. Diversos estudios han mostrado que entre 70% y 90% de las fallas producidas en líneas de transmisión son transitorias y los impactos de rayos es la causa más común de este tipo de fallas. Las fallas transitorias, se deben principalmente al contorneo de los aisladores producidos por altos sobrevoltajes transientes causados por los rayos. Así, este tipo de fallas pueden ser despejadas mediante una desenergización 60 momentánea de la fase fallada de la línea. La reconexión automática puede restaurar la operación normal de la línea [26]. La aplicación de la apertura y la reconexión automática requiere la evaluación de muchos factores. Estos factores pueden variar considerablemente dependiendo de la configuración del sistema, los componentes del sistema y la filosofía de reconexión utilizada por el dueño de la línea. Los siguientes factores deben ser identificados: - Los beneficios y posibles problemas asociados a la reconexión. La elección del tiempo muerto (dead time). La elección del tiempo de restablecimiento (reset time). La decisión de usar reconexión automática monopolar o tripolar. El “dead time” de un interruptor en una operación de reconexión está definido en el estándar IEEE Std. C37.100-1992 (Definitions for Power Switchgear) como el intervalo entre la interrupción en todos los polos en la apertura y el restablecimiento del circuito en la reconexión. El “dead time” de un relé de reconexión es similar al “dead time” de un interruptor. Es la cantidad de tiempo entre el inicio del esquema de reconexión automática y la operación de los contactos de reconexión que activan el circuito de la bobina de cierre. En un relé de reconexión automática, el “reset time” está definido en el estándar IEEE Std. C37.100-1992 como el tiempo siguiente a una operación de cierre exitosa, medido desde el instante que el relé de reconexión automática cierra sus contactos hasta que el relé inicia una nueva secuencia de reconexión en el caso de una falla o incidente adicional. En la Figura 4.7 se muestran los tiempos descritos en los párrafos anteriores. 61 Figura 4.7: Operación de un esquema de reconexión automática. Protección con descargadores de sobretensiones La protección del aislamiento de las líneas con descargadores de sobretensiones conectados en paralelo con la aislación de las torres seleccionadas ayuda a resistir sin fallar las solicitaciones producidas por las descargas atmosféricas. La aplicación de estos descargadores o pararrayos se describe a continuación. 4.3.1 Descargadores de Sobretensiones Los pararrayos (o descargadores de sobretensiones) para líneas de transmisión son utilizados con diferentes propósitos, por ejemplo: extender la protección cerca de las subestaciones, resistir sobrevoltajes de maniobra y protección contra descargas atmosféricas. En particular, se revisará sólo la protección contra descargas atmosféricas. Protección contra descargas atmosféricas Esta aplicación es una de las principales que tienen los pararrayos para líneas de transmisión, ya que las descargas atmosféricas son una de las causas más frecuente de fallas en una línea. En este contexto, es útil conocer los datos relacionados con el nivel ceráunico a lo largo del trazado de la línea para que la protección entregada por los pararrayos sea óptima [25]. 62 Los siguientes comentarios pueden ser tomamos como una guía general para la aplicación de pararrayos para líneas de transmisión (TLA: Transmission Line Arresters). General Para líneas en operación o en proceso de diseño, es necesario recolectar registros disponibles acerca de la caída de rayos a lo largo de la línea y las fallas producidas debido a esto. Observar la topografía a lo largo de la línea para localizar las torres particularmente expuestas y las secciones más vulnerables de la línea desde el punto de vista de impactos de rayos. Se debe conocer la resistencia de puesta a tierra de cada estructura, especialmente en las zonas más expuestas del trazado. Es necesario determinar la tasa de fallas actual y deseada de la línea. La tasa de fallas deseada no debe ser poco realista (aproximándose a cero), si es así se necesitarían un número muy grande de pararrayos y con una capacidad muy alta, conduciendo a una solución inviable económicamente. Para líneas con cable de guardia, el fenómeno de arco inverso es la mayor causa de interrupción de servicio y esto ocurre principalmente en torres ubicadas en zonas con alto valor de resistencia de puesta a tierra. Es necesario tener en cuenta que en dichas ubicaciones, el riesgo de falla no se reduce significativamente si no se instalan TLA en todas las fases. Tal como se aprecia en la Figura 4.8. Figura 4.8: Riesgo de falla. 63 La energía que disipa el pararrayos debe ser dimensionada para impactos de rayos en la torre y sobre los conductores de fase (fallas de blindaje, en caso de líneas con cable de guardia). Para altos valores de resistencia de puesta a tierra (aproximadamente 100 Ω y superiores), el impacto en la torre define el criterio para dimensionar el pararrayos y las fallas de blindaje será el mayor factor a considerar para resistencias de puesta a tierra bajas. La Figura 4.9 muestra los requerimientos de energía para un TLA en una línea de 275 kV, la cual está protegida por dos cables de guardia [25]. Figura 4.9: Energía requerida por un pararrayos de línea. El estudio muestra que para una línea bien apantallada, se requiere un pararrayos de una clase mayor de energía sólo en aquellas torres con alto valor de resistencia de puesta a tierra. De acuerdo a lo indicado en [25] (Improved transmission line performance using polymer-housed surge arresters, ABB), los impactos de rayo en la torre implican una alta energía si la resistencia de puesta a tierra es alta y viceversa. Sin embargo, hay un buen intercambio de carga/energía en los pararrayos en fases diferentes. Para el caso de líneas sin cables de guardia, impactos de rayo directos sobre los conductores de fase deben ser considerados seriamente. En estos sucesos, una alta resistencia de puesta a tierra resulta en una energía menor y viceversa. Instalando pararrayos en ciertas secciones de la línea con torres de alto valor de resistencia de puesta a tierra y una torre con un bajo valor de resistencia de puesta a tierra en cada extremo de la sección, se logra proteger las líneas existentes, con o sin cables de guardia [27]. En la Figura 4.10 y Figura 4.11 se muestra una aplicación de pararrayos en un tramo de línea particularmente expuesta a los impactos de rayo, en 64 donde se logra una protección ideal instalando descargadores de sobretensión de cada una de las torres y en cada fase. La disminución de los tiempos de interrupción de suministro produce también beneficios indirectos, puesto que los equipos sensibles no resultan dañados y se puede aumentar el intervalo entre revisiones de los interruptores. De esa forma, también se disminuyen los costos totales de mantenimiento. Un ejemplo de aplicación de descargadores de sobretensiones se muestra en la Tabla 4.5, aplicada en líneas de Sudáfrica. Tabla 4.5: Aplicación de descargadores de sobretensiones en líneas de transmisión 13. Nombre Línea (275 kV) Eiger - Prospect Eiger – Fordsburg Glockner Olumpus Taunus – Princess Esselen – Pelly Bighorn - Pluto Hera - Watershed Largo Línea (km) 11,25 19,38 26,70 Unidades instaladas 12 12 9 Desempeño (Fallas/100km/año) Antes Después 13,33 2,93 4,44 1,70 N/A 6,97 12,83 100,00 65,57 177,36 12 33 72 45 14,50 2,90 13,42 5,47 3,90 2,50 2,44 3,00 Se pueden utilizar descargadores de sobretensiones para todos los niveles de tensión del sistema en que se produzcan las condiciones anormales indicadas. A menudo basta con descargadores con una capacidad de energía moderada. Sin embargo, la capacidad para altas intensidades debe ser amplia y puede que no baste con descargadores del tipo de distribución. En las líneas de extra-alta tensión, los descargadores suelen colocarse en los extremos de la línea. Además, colocando descargadores en uno o más puntos a lo largo de la línea, por ejemplo, en el centro o a 1/3 y 2/3 de su longitud, se pueden limitar las sobretensiones de maniobra. Los descargadores utilizados en este tipo de aplicación deben estar diseñados para alta capacidad energética. Normalmente bastará con descargadores de clase 2 ó 3 en la línea, pero puede ser necesario utilizar descargadores de clases más altas en el extremo receptor de la línea [24]. 13 Fuente: Cigré 5th Southern Africa Regional Conference, October 2005 65 Figura 4.10: Sobretensión sin pararrayos, impacto en la torre 5. *TFI: Resistencia de puesta a tierra (Tower Footing Impedance). 66 Figura 4.11 Sobretensión con pararrayos instalados en las 9 torres, impacto en la torre 5. 67 4.4 Análisis Comparativo En la presente sección se realiza un análisis de las variaciones que ocurren en la tasa de fallas producidas por arco inverso al modificar algunos parámetros o características de las líneas relevantes en el cálculo de la tasa de fallas. Un cable de guardia v/s Dos cables de guardia En este caso se considera una línea de doble circuito de 220 kV, en donde se comparará el efecto de la inclusión de dos cables de guardia versus uno. Las torres consideradas para efectos de cálculo son las que se muestran en la Figura 4.12 y Figura 4.13. Los conductores de fase y los cables de guardia en la línea a considerar son los siguientes: Circuitos de 220 Cable(s) de guardia Alumoweld 7/8 kV Conductor: Flint Diámetro: 9,78 mm Diámetro: 25,15 mm Considerando una cadena de aisladores de largo 2,5 metros, las distancias de los conductores al centro de la torre son las que se muestran en la Tabla 4.6. Tabla 4.6: Distancia de los conductores de guardia y de fase en la estructura. Distancias de conductores en Torre (en m) X Y Diámetro Conductor Fase a 3,64 30,03 0,02515 Fase b 4,14 25,03 0,02515 Fase c 3,79 20,03 0,02515 14 C. Guardia 1 2,5 36,11 0,00978 C. Guardia 2 2,5 36,11 0,00978 Los demás datos involucrados en el cálculo de la tasa de fallas son los que se muestran en la Tabla 4.7: 14 En el caso de solo haber un cable de guardia, la coordenada X del único cable de guardia seria cero. 68 Tabla 4.7: Datos propios de la línea en estudio. (en kV) Numero de Circuitos CFO (en kV – cresta) 220 DATOS Largo Vano (en m) (en Ω-m) 2 950 Nivel Ceráunico (en Días de tormenta/Año) Figura 4.12: Torre 220 kV doble circuito, con 2 cables de guardia. 300 800 30 Figura 4.13: Torre 220 kV doble circuito, con 1 cable de guardia. Luego, la tasa de fallas producidas por arco inverso en función de la resistencia de puesta a tierra se muestra en la Figura 4.14. 69 Tasa de Fallas, BFR (por 100 km/año) 20 BFR v/s Ro 15 2 Cables de Guadia 10 1 Cable de Guardia 5 0 0 -5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Resistencia de puesta a tierra, Ro (en Ohm) Figura 4.14: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, entre 1 y 2 cables de guardia. Para algunas aplicaciones, donde el costo de la instalación de dos cables de guardia no está económica ni técnicamente justificado, o existe en la zona un bajo nivel ceráunico, un único cable de guardia puede utilizarse. Este único cable de guardia aumenta el valor de (resistencia equivalente vista por el rayo, al momento de impactar en la torre), disminuye el factor de acoplamiento ( ) y así aumenta el valor de la tasa de fallas. Comparación de altura de las torres Para realizar la comparación entre las tasas de fallas producidas por arco inverso en función de distintos valores de altura de las torres, se utilizó la misma línea que en la comparación anterior, salvo por la altura de las torres. Las nuevas distancias que se comparan son las que se aprecian en la Tabla 4.6 (línea 1) y Tabla 4.8 (línea 2): Tabla 4.8: Distancia de los conductores en las torres, torre 10 metros más alta. Distancias de conductores en Torre (en m) X Y Diámetro Conductor Fase a 3,64 40,03 0,02515 Fase b 4,14 35,03 0,02515 Fase c 3,79 30,03 0,02515 C. Guardia 1 0 46,11 0,00978 Además, se consideran los mismos datos (Tabla 4.7) y los mismos conductores y cable de guardia que en el ejemplo anterior. Luego, se aprecia el resultado de la comparación en la Figura 4.15. 70 Tasa de Fallas, BFR (por 100 km/año) 20 BFR v/s Ro 15 Torre 36,11 metros 10 Torre 46,11 metros 5 0 0 -5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Resistencia de puesta a tierra, Ro (en Ohm) Figura 4.15: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, entre torres de distinta altura. Se aprecia en la Figura 4.15 que la altura de las torres, a diferencia del número de cables de guardia, no es un parámetro tan influyente en el cálculo del BFR. La altura de las torres en el método simplificado solo es relevante en el cálculo del número de rayos que impacta una línea por cada cien kilómetros por año ( ecuación 2.18). Es importante recalcar que esto ocurre debido a que en el método simplificado no se considera el componente de voltaje de la estructura, el cual depende de la geometría de las estructuras, en particular de la altura de éstas. Comparación de largo del vano Esta comparación se realiza en base a la línea de transmisión de 220 kV antes descrita, cuya estructura más representativa se muestra en la Figura 4.13, las distancias de los conductores aparecen en la Tabla 4.6 y los datos propios de la línea se indican en la Tabla 4.7. Para este caso particular se modifica el vano promedio (en metros), en primera instancia se utiliza un vano de 250 metros para luego variarlo a 300 metros. Gráficamente, los resultados obtenidos de las simulaciones son incluidos en la Figura 4.16. 71 Tasa de Fallas, BFR (por 100 km/año) 20 BFR v/s Ro 15 10 Vano 250 metros Vano 350 metros 5 0 0 5 10 -5 15 20 25 30 35 40 45 Resistencia de puesta a tierra, Ro (en Ohm) Figura 4.16: Comparación de la tasa de fallas producida por arco inverso, dependiendo del largo del vano. En el diseño de una línea de transmisión se desea que el vano promedio sea el más largo permitido, con el fin de instalar el menor número de estructuras posibles y así disminuir el coste de la línea. La influencia que tiene el largo del vano en el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso no es tan significativa. Este parámetro tiene directa relación con el sobrevoltaje soportado por la aislación de la línea ( ), mientras mayor sea el largo del vano promedio, menor será el . Por lo tanto el BFR aumenta. 4.5 Caso de Estudio En la presente sección se realiza un análisis de una línea real de EAT (Extra Alta Tensión) construida entre 1997 y 1999, la cual está emplazada en zonas cordilleranas altiplánicas del norte grande de nuestro país y del noroeste argentino por sobre los 2800 m.s.n.m. y con una altitud máxima de 4637 m.s.n.m. A continuación se muestran los datos relevantes para el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso de la línea en estudio: - Voltaje nominal: 345 kV Disposición de fases: Horizontal Número de Circuitos: Uno Altitud máxima: 4637 m.s.n.m. Largo: 408 km Largo vano promedio: 400 m Flecha promedio: 14,9 m La línea consta de dos conductores por fase separados a 450 mm. El conductor es del tipo ACSR (aluminum conductor, steel, reinforced), código Curlew de 1033,5 MCM (523,7 mm2). Los conductores de fase están apantallados por dos cables de guardia 72 de sección 95 mm2 cada uno del tipo Alumoweld, separados por 18 metros entre ellos y el ángulo de protección entre el cable de guardia y el conductor más expuesto de es 18° en la línea. La cadena de aisladores fue diseñada para soportar 2100 kV – peak (bajo condiciones estándar de laboratorio) de impulso de rayos y 1175 kV – peak en condiciones de terreno y altitud. El largo de la cadena es de 5,2 metros. El voltaje crítico de impulso de rayo (CFO) de la cadena de aisladores se puede determinar por medio de la Ecuación (2.9), siendo éste 1222 kV – peak en condiciones de terreno. En la línea en estudio se pueden distinguir diferentes zonas en el trazado, las cuales poseen distintos valores de resistividad de terreno y resistencia de puesta a tierra. Por este motivo es posible dividir la línea en 6 zonas, que se muestran en la Tabla 4.9. Tabla 4.9: Tramos de la línea en estudio. Tramo Longitud (km) Resistividad terreno (Ω - m) RPAT (Ω) 1 2 70 40 300 - 500 >1000 15 25 3 100 <500 4 30 >1000 5 60 <500 6 108 >1000 15 25 15 25 La estructura más representativa de la línea en cuestión se muestra en la Figura 4.17 con todas las distancias relevantes en el cálculo de la tasa de fallas producidas por arco inverso. 73 12.25 (m) 9.15 (m) 5.2 (m) 31.25 (m) 27.15 (m) 9.06 (m) Figura 4.17: Estructura autosoportada más representativa de la línea en estudio. Considerando para el trazado de la línea un terreno ondulado, las distancias ponderadas de los conductores son las siguientes: Tabla 4.10: Distancias de conductores en torre para el caso de estudio. Distancias de conductores en Torre (en m) X Y Diámetro equivalente conductor Fase a 12,25 21,95 0,0316 Fase b 0 21,95 0,0316 Fase c 12,25 21,95 0,0316 C. Guardia 1 9,15 21,25 0,0127 C. Guardia 2 9,15 31,25 0,0127 Luego los resultados obtenidos en el programa descrito en el Capítulo 3 son los siguientes: 74 - Tramo 1: En la Tabla 4.11 se aprecian los resultados para el tramo 1 en función de la resistencia de puesta a tierra de baja corriente. Tabla 4.11: Resultados caso de estudio, tramo 1. Ro (Ω) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 CFOns (kV cresta) 1152,7 1160,6 1167,7 1173,4 1178,7 1183,4 1186,8 1190,2 1193,1 1195,2 1197,3 1199,2 1200,8 1202,2 1203,4 1204,5 Ic (kA) BFR (fallas/100km – año) 1242,9 0,0000 461,9 0,0000 297,7 0,0004 233,5 0,0033 195,4 0,0144 171,5 0,0388 157,5 0,0712 146,1 0,1194 137,5 0,1778 132,1 0,2299 127,0 0,2934 122,9 0,3576 119,6 0,4209 116,9 0,4822 114,6 0,5407 112,6 0,5959 Fallas por cada 100 km de Línea por año La Figura 4.18 muestra gráficamente el BFR en función de la resistencia de puesta a tierra para el tramo 1. Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 10 20 30 40 50 Resistencia de puesta a tierra a pie de torre (Ohms) Figura 4.18: Resultados caso de estudio, tramo 1. 75 - Tramos 3 y 5 En la Tabla 4.12 se aprecian los resultados para los tramos 3 y 5 en función de la resistencia de puesta a tierra de baja corriente. Tabla 4.12: Resultados caso de estudio, tramos 3 y 5. Ro (Ω) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 CFOns (kV cresta) 1152,7 1161,0 1168,8 1176,1 1182,2 1188,2 1193,7 1198,7 1202,8 1206,9 1210,7 1214,1 1217,2 1219,6 1222,1 1224,4 BFR (fallas/100km – año) 0,0000 0,0000 0,0006 0,0072 0,0307 0,0886 0,1911 0,3421 0,5122 0,7307 0,9749 1,2366 1,5082 1,7376 1,9995 2,2556 Ic (kA) 1242,7 446,9 283,1 212,9 176,9 152,6 136,0 123,8 115,7 108,6 103,0 98,4 94,7 92,0 89,4 87,1 La Figura 4.19 muestra gráficamente el BFR en función de la resistencia de puesta a tierra para el tramo 3 y 5. Fallas por cada 100 km de Línea por año Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50 Resistencia de puesta a tierra a pie de torre (Ohms) Figura 4.19: Resultados caso de estudio, tramos 3 y 5. 76 - Tramos 2, 4 y 6 En la Tabla 4.13 se aprecian los resultados para los tramos 2, 4 y 6 en función de la resistencia de puesta a tierra de baja corriente. Tabla 4.13: Resultados caso de estudio, tramos 2, 4 y 6. Ro (Ω) 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 CFOns (kV cresta) 1152,7 1161,7 1169,7 1177,7 1185,5 1192,9 1199,6 1206,3 1212,7 1218,8 1224,6 1230,2 1235,5 1240,0 1244,7 1249,2 BFR (fallas/100km – año) 0,0000 0,0000 0,0009 0,0112 0,0567 0,1737 0,3736 0,6925 1,1233 1,6563 2,2752 2,9617 3,6974 4,3868 5,1509 5,9188 Ic (kA) 1242,5 424,0 271,6 201,6 162,7 138,0 122,0 109,7 100,3 92,9 87,0 82,1 78,1 75,0 72,1 69,6 La Figura 4.20 muestra gráficamente el BFR en función de la resistencia de puesta a tierra para el tramo 2, 4 y 6. Fallas por cada 100 km de Línea por año Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 Resistencia de puesta a tierra a pie de torre (Ohms) Figura 4.20: Resultados caso de estudio, tramos 2, 4 y 6. 77 Luego, para cada uno de los tramos de línea, las tasas de fallas para las resistencias de puesta a tierra respectivas con las siguientes: Tabla 4.14: Tasas de fallas para los respectivos tramos de línea. Tasa de Fallas Largo Total ( , Tramos ( ) km) 0,1194 70 Tramo 1 0,3421 160 Tramos 3 y 5 Tramos 2, 4 y 3,6974 178 6 Por lo tanto, la tasa de fallas producidas por arco inverso para la línea completa según la ecuación (2.48), es la siguiente: ( 78 5. Conclusiones Los objetivos principales de este trabajo se cumplieron logrando resultados aceptables. Se pudo determinar el valor de la resistencia de puesta a tierra en líneas de transmisión de alta tensión por medio de un programa que calcula la tasa de fallas producidas por arco inverso. Definiendo un valor de diseño esperado para la tasa de fallas, se determina cual debiese ser el valor de la resistencia de puesta a tierra de las torres de la línea. En cuanto al valor recomendado para la tasa de fallas no existe un acuerdo universal, ya que en definitiva es una función del valor económico del proyecto de línea y de su nivel de tensión dentro del sistema interconectado. Teniendo en cuenta que los requisitos de fiabilidad de los clientes son cada vez más estrictos, la tasa de falla producida por arco inverso deberá variar dependiendo de la importancia que represente la línea. Por ejemplo si se tiene una línea de transmisión que alimente una faena minera, se desea que la línea tenga el menor número de fallas posible para no interrumpir el suministro de energía y detener los distintos procesos. Un buen valor de BFR en este caso fluctúa en el rango de 0.1 a 0.5 fallas por cada 100 km por año. Por otro lado el valor de diseño de la tasa de fallas producida por arco inverso depende del nivel de tensión de la línea. Para el más alto nivel de voltaje de un sistema, es necesaria una menor tasa de fallas por arco inverso. Por ejemplo, si la transmisión en 500 kV es la máxima tensión de un sistema, el objetivo de diseño puede ser de 0,6 fallas por cada 100 km por año, mientras que para la tensión inmediatamente inferior, 220 kV, el objetivo de diseño puede ser 1,2 fallas por cada 100 km por año y así sucesivamente. Cuando el nivel de 220 kV sea la máxima tensión del sistema de transmisión, se impondría como valor requerido de la tasa de fallas producidas por arco inverso de 0,6 fallas por cada 100 km por año [12]. En cuanto a los objetivos específicos, se puede concluir lo siguiente: - En caso de que no sea posible lograr una resistencia de puesta a tierra lo suficientemente baja como para lograr la tasa de fallas prevista, se revisaron distintos métodos con el fin de mejorar el comportamiento de las líneas de transmisión frente a las descargas atmosféricas. Como por ejemplo: apertura y reconexión monopolar de interruptores, inclusión de descargadores de sobretensiones para líneas de transmisión (pararrayos para líneas de transmisión), los cuales pueden ser aplicados en líneas existentes tanto para mejorar su rendimiento frente de descargas atmosféricas, como para otros fines mencionados en el Capítulo 4. - En cuanto al procedimiento estadístico para la determinación de la tasa de fallas producida por arco inverso, finalmente se implementó un método 79 simplificado, debido a que el procedimiento completo descrito por las ecuaciones mostradas en el Capítulo 2 no entregó los resultados esperados. Por lo tanto se procedió a programar una simplificación del método, el cual se comporta bien para torres cuya altura no sea superior a 50 metros [21], altura compatible con la mayoría de las líneas del país. En el Capítulo 4 se analizaron las limitaciones del modelo programado, se llegó a la conclusión de que para las líneas de 220 kV y 500 kV en la gran mayoría de los casos el error asociado a la simplificación realizada no es significativo, ya que normalmente las alturas de las estructuras de las líneas de éstos niveles de voltaje no sobrepasan los 50 metros. Además se realizó una comparación entre resultados entregados por el programa y datos de operación reales de líneas de transmisión, obteniéndose conclusiones satisfactorias. 5.1 Recomendaciones para Trabajos Futuros Variados son los trabajos que se pueden llevar a cabo a partir de esta memoria, los cuales se describen a continuación: El desempeño de una línea de transmisión con respecto a la caída de rayos, se divide en dos grandes zonas: fallas producidas por el fenómeno del arco inverso y fallas de blindaje. En particular en este trabajo sólo se estudiaron las fallas producidas por arco inverso, por lo tanto, es posible desarrollar un programa más completo en el que se incluyan las fallas de blindaje de una línea de transmisión con el propósito de tener una perspectiva más global de los efectos de las descargas atmosféricas en las líneas. Debido a que no se tuvo éxito en la implementación del método completo desarrollado por el CIGRÉ, es recomendable volver a intentar programar dicho procedimiento, para eliminar las limitaciones del método simplificado y simular líneas de transmisión con estructuras de cualquier tipo y altura. En el presente trabajo se mencionaron métodos para mejorar la tasa de fallas producida por rayos, en particular la aplicación de descargadores de sobretensiones colocados en las partes más vulnerables en las líneas de transmisión. Resultaría de utilidad realizar un análisis cuantitativo de los beneficios y perjuicios de esta tecnología, ya sea desde el punto de vista técnico como económico. 80 6. Bibliografía [1] Norma IEC, 60071-1. «Insulation Co-ordination - Part 1.» 2006. [2] Norma, IEC 815. «Guide for the selection of insulators in respect of polluted conditions.» 1986. [3] Asenjo, Efraín. «Coordinacion de Aislamientos.» Apuntes Curso: Ingeníeria de Alta Tensión - EM719, Departamento Ing. 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Modelo Matemático del Comportamiento de Electrodos de Tierra Frente a Descargas tipo Atmosféricas. Santiago, Chile: Memoria para optar al Grado de Magister en Ing. Eléctrica, 1985. [20] Caulker, D., H. Ahmad, Z. Abdul-Malek, y S. Yusof. Lightning Overvoltages on an Overhead Transmission Line during Backflashover and Shielding Failure. 2010. [21] CIGRE, Working Group 01. Guide to Procedures for Estimating the Lightning Performance of Transmission Lines. 1991. [22] Lines, IEEE Working Group on Lightning Performance of Transmission. «A Simplified Method for Estimating Lightning Performance of Transmission Lines.» IEEE Transactions on PA&S, 1985. [23] Whitehead, J. T. «The Lightning Performance of TVA's 500 kV and 161 kV Transmission Lines.» IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983. [24] ABB. www.abb.com/arrestersonline. http://www.abb.com/product/db0003db002618/c1257399005c5f4fc125716800 25bed4.aspx (último acceso: 8 de Febrero de 2012). [25] Mobedjina, Minoo, y Lennart Stenström. «Improved Transmission Line Performance Using Polymer-Housed Surge Arresters.» ABB Switchgear, 2000. [26] Basler Electric, Company. «Automatic Reclosing - Transmission Line 82 Applications and Considerations.» 2001. [27] ABB. «ABB Surge Arresters — Buyer´s Guide.» 2011. [28] Sediver. «Sediver toughened glass, Catalog.» 2008. 83 7. Anexos 7.1 Anexo A: Código del Programa VBA de Cálculo de la Tasa de Fallas Producidas por Arco Inverso. Option Explicit Dim Zg, c As Double 'define variables que utilizan en todo el módulo Public Sub CorrienteCritica() Dim V, rho, CFO, n, L, T As Double 'Datos línea Dim fases As String Dim h, r, b As Double 'tipo estructura Dim Zt, Tt As Double 'Variables que tiene relación con tipo de estructura Dim Vpf As Double 'Aporte voltaje a frecuencia industrial Dim Ng, Nl As Double 'tasas de caídas de rayo Dim Ig, Ts, tau, CFOns, Re, Ri, Riaux, Ro, Ir, Ic As Double 'Variables involucradas en el cálculo de la corriente crítica Ic Dim Ktt, Ksp, at, ar As Double 'Constantes Dim tf, tfinicial As Double 'Tiempo de frente Dim BFR, V_a As Double Dim i As Integer 'Contador V = Val(UserForm1.TextBox1.Value) rho = Val(UserForm1.TextBox3.Value) CFO = Val(UserForm1.TextBox2.Value) n = Val(UserForm1.ComboBox1.Text) L = Val(UserForm1.TextBox5.Value) T = Val(UserForm1.TextBox13.Value) 84 fases = UserForm1.ComboBox2.Text If UserForm1.TextBox1.Value = Empty Or UserForm1.TextBox2.Value = Empty Or UserForm1.TextBox3.Value = Empty Or UserForm1.TextBox5.Value = Empty Or UserForm1.TextBox13.Value = Empty Then MsgBox Prompt:="Debe ingresar todos los datos", Title:="ERROR" End If Call Impedancias 'llama al procedimiento Impedancias() If UserForm1.OptionButton1.Value Then h = Val(UserForm1.TextBox6.Value) r = Val(UserForm1.TextBox7.Value) Zt = 30 * Log((2 * (h ^ 2 + r ^ 2)) / r ^ 2) Tt = h / 300 'en micro segundos End If If UserForm1.OptionButton2.Value Then h = Val(UserForm1.TextBox8.Value) r = Val(UserForm1.TextBox9.Value) b = Val(UserForm1.TextBox10.Value) Zt = 1 / 2 * (60 * Log(h / r) + 90 * (r / h) - 60 + 60 * Log(h / b) + 90 * (b / h) - 60) Tt = h / 300 'en micro segundos End If If UserForm1.OptionButton3.Value Then h = Val(UserForm1.TextBox11.Value) r = Val(UserForm1.TextBox12.Value) Zt = 60 * (Log(Sqr(2) * 2 * h / r) - 1) Tt = h / 300 'en micro segundos 85 End If Ng = 0.04 * T ^ 1.25 Nl = (Ng * (28 * h ^ 0.6 + 2 * Val(UserForm1.TextBox22))) / 10 Select Case fases Case "Vertical" Vpf = n * 0.551 * Sqr(2) / Sqr(3) * V Case "Horizontal" Vpf = 0.83 * Sqr(2) / Sqr(3) * V Case "Otra" Vpf = 0.83 * Sqr(2) / Sqr(3) * V End Select Ts = 0.2 * Log((2 * Val(UserForm1.TextBox23.Value)) (Val(UserForm1.TextBox24) / 2)) * L / Zg / i = 0 'inicializo contador en cero Ro = 1 Ri = 100 Riaux = 0 Do While (i < 150) 'loop para mover Ro Ig = (1 / (2 * 3.141592)) * (400 * rho / (Ro ^ 2)) Ri = 100 Riaux = 0 Do While Abs(Ri - Riaux) > 0.1 'loop para determinar corriente critica Riaux = Ri Re = (Ri * Zg) / (Zg + 2 * Ri) tau = Zg * Ts / Ri CFOns = (0.977 + 2.82 / tau) * (1 - 0.2 * Vpf / CFO) * CFO 86 'at = (Zt - Ri) / (Zt - Ri) 'ar = Zg / (Zg + 2 * Ri) 'Ktt = Re + at * Zt * Tt / tf 'Ksp = 1 - at * (1 - ar) * ((1 - 2 * Ts / tf) + at * ar * (1 - 4 * Ts / tf) + (at * ar) ^ 2 * (1 - 6 * Ts / tf)) Ic = (CFOns - Vpf) / (Re * (1 - c)) Ir = (Re / Ri) * Ic Ri = Ro / Sqr(1 + Ir / Ig) Loop V_a = (1 - c) * Re * Ic + Vpf BFR = 0.6 * Nl * (1 - WorksheetFunction.LogNormDist(Ic, 3.554, 0.484)) Cells(3 + i, 7).Value = Ro Cells(3 + i, 8).Value = Ic Cells(3 + i, 9).Value = BFR Cells(3 + i, 10).Value = CFOns i=i+1 Ro = Ro + 1 Loop Range("e3").Value = Zt Range("e4").Value = Tt Range("c6").Value = Ng Range("c7").Value = Nl End Sub Public Sub Impedancias() 'defino variables Dim x1, x2, x3, y1, y2, y3 As Double Dim xg1, xg2, yg1, yg2 As Double Dim rg1, rg2, Rc As Double Dim Rcca, Rccb, Rcca, Rcg1 As Double 'Radio corona Dim Za, Zb, Zc As Double 87 Dim Zag, Zbg, Zcg As Double Dim Za_g, Zb_g, Zc_g As Double Dim Z, Zeq As Double Dim Zeq As Double x1 = Val(UserForm1.TextBox14.Value) y1 = Val(UserForm1.TextBox15.Value) x2 = Val(UserForm1.TextBox16.Value) y2 = Val(UserForm1.TextBox4.Value) x3 = Val(UserForm1.TextBox17.Value) y3 = Val(UserForm1.TextBox18.Value) xg1 = Val(UserForm1.TextBox22.Value) yg1 = Val(UserForm1.TextBox23.Value) xg2 = Val(UserForm1.TextBox25.Value) yg2 = Val(UserForm1.TextBox26.Value) rg1 = Val(UserForm1.TextBox24.Value) / 2 Rc = Val(UserForm1.TextBox19.Value) / 2 Rcca = RadioCorona(Val(UserForm2.TextBox1.Value), y1, 2 * Rc) Rccb = RadioCorona(Val(UserForm2.TextBox1.Value), y2, 2 * Rc) Rccc = RadioCorona(Val(UserForm2.TextBox1.Value), y3, 2 * Rc) If UserForm1.TextBox27.Value = Empty And UserForm1.TextBox25.Value = Empty And UserForm1.TextBox26.Value = Empty Then ' si existe solo un cable de guardia Za = 60 * Sqr(Log((2 * y1) / Rc) * Log((2 * y1) / Rcca)) Zb = 60 * Sqr(Log((2 * y2) / Rc) * Log((2 * y2) / Rccb)) Zc = 60 * Sqr(Log((2 * y3) / Rc) * Log((2 * y3) / Rccc)) Z = (Za + Zb + Zc) / 3 Zag = 60 * Log(Sqr((x1 - xg1) ^ 2 + (y1 + yg1) ^ 2) / Sqr((x1 - xg1) ^ 2 + (y1 - yg1) ^ 2)) Zbg = 60 * Log(Sqr((x2 - xg1) ^ 2 + (y2 + yg1) ^ 2) / Sqr((x2 - xg1) ^ 2 + (y2 - yg1) ^ 2)) Zcg = 60 * Log(Sqr((x3 - xg1) ^ 2 + (y3 + yg1) ^ 2) / Sqr((x3 - xg1) ^ 2 + (y3 - yg1) ^ 2)) Zeq = (Zag + Zbg + Zcg) / 3 88 Zg = 60 * Log((2 * yg1) / rg1) c = Zeq / Zg Else ' dos cables de guardia Za = 60 * Sqr(Log((2 * y1) / Rc) * Log((2 * y1) / Rcca)) Zb = 60 * Sqr(Log((2 * y2) / Rc) * Log((2 * y2) / Rccb)) Zc = 60 * Sqr(Log((2 * y3) / Rc) * Log((2 * y3) / Rccc)) Z = (Za + Zb + Zc) / 3 Zag = 60 * Log(Sqr((x1 - xg1) ^ 2 + (y1 + yg1) ^ 2) / Sqr((x1 - xg1) ^ 2 + (y1 - yg1) ^ 2)) Zbg = 60 * Log(Sqr((x2 - xg1) ^ 2 + (y2 + yg1) ^ 2) / Sqr((x2 - xg1) ^ 2 + (y2 - yg1) ^ 2)) Zcg = 60 * Log(Sqr((x3 - xg1) ^ 2 + (y3 + yg1) ^ 2) / Sqr((x3 - xg1) ^ 2 + (y3 - yg1) ^ 2)) Za_g = 60 * Log(Sqr((x1 + xg1) ^ 2 + (y1 + yg1) ^ 2) / Sqr((x1 + xg1) ^ 2 + (y1 yg1) ^ 2)) Zb_g = 60 * Log(Sqr((x2 + xg1) ^ 2 + (y2 + yg1) ^ 2) / Sqr((x2 + xg1) ^ 2 + (y2 yg1) ^ 2)) Zc_g = 60 * Log(Sqr((x3 + xg1) ^ 2 + (y3 + yg1) ^ 2) / Sqr((x3 + xg1) ^ 2 + (y3 yg1) ^ 2)) Zg = (60 * Log((2 * yg1) / rg1) + 60 * Log(Sqr((xg1 + xg2) ^ 2 + (yg1 + yg2) ^ 2) / (xg1 + xg2))) / 2 c = ((Zag + Za_g) + (Zbg + Zb_g) + (Zcg + Zc_g)) / (6 * Zg) End If Range("c3").Value = Zg Range("c4").Value = c End Sub Function RadioCorona(V As Double, h As Double, D As Double) As Double Dim Rc As Double Dim aux As Double 89 Rc = D / 2 aux = 0 Do While Abs(Rc - aux) > 0.0001 aux = V / (1500 * (Log((2 * h) / Rc))) Rc = aux Loop RadioCorona = aux End Function 90 Browns Ferry Davidson Brown Ferry Madison No. 1 Brown Ferry Madison No. 2 Browns Ferry West Point Bull Run Sequoyah Bull Run Sullivan Bull Run Watts Bar 7.2 Anexo B: Datos de Operación de Líneas 500 kV [23] Fecha puesta en Servicio Abr-70 Abr-70 Dic-73 Abr-70 Abr-72 May-70 Nov-77 Largo (Km) 184,49 60,22 64,79 190,19 124,5 185,88 86,76 A A A A A A A Altura del conductor (Hc (m)) 22,15 24,54 22,15 22,15 23,37 20,32 23,37 Altura del Cable de guardia (Hg (m)) 31,7 34,14 31,7 31,7 32,92 29,87 32,61 Máxima (Ohm) 68 65,5 40 150 70,5 40 40 Mínima (Ohm) 1 1,3 1,5 0,3 0,4 0,5 0,4 Promedio (Ohm) 13,2 14,8 12,8 20,9 15,8 10,1 11,9 Elevación máxima del conductor (m.s.n.m) 372 405 416 345 366 664 366 Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 55 55 Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 0,4 0,16 0 0,94 0,48 0,19 0 Nombre Tipo de Torre Bull Run Wilson Cumberland Davidson Cumberland Marshall Davidson Wilson Johnsonville Cordova No. 1 Johnsonville Cordova No. 2 Johnsonville Cumberland Resistencia de puesta a tierra Fecha puesta en Servicio Abr-73 Oct-72 Sep-72 Abr-73 Abr-66 Mar-68 Mar-72 Largo (Km) 223,15 77,09 124,95 67,43 190,59 241,63 53,43 A A A A A A A Altura del conductor (Hc (m)) 22,15 17,27 22,15 22,15 23,37 22,78 17,27 Altura del Cable de guardia (Hg (km)) 31,7 24,99 31,7 31,85 32,92 32,31 26,82 Máxima (Ohm) 450 23,5 90 21 110 120 40 Mínima (Ohm) 0,9 0,7 0,5 0,9 0,4 0,2 1 Promedio (Ohm) 40 7 12 5,8 9,7 6,5 10,7 Elevación máxima del conductor (m.s.n.m) 790 291 224 346 227 201 248 Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 55 55 1,45 0,32 0,49 0,57 0,3 0,32 0,21 Nombre Tipo de Torre Resistencia de puesta a tierra Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 91 Johnsonville Davidson Johnsonville Weakley Paradise Davidson Roane Wilson Shawnee Marshal Volunteer Sullivan Watts Bar Roane Abr-68 Abr-77 Abr-69 Oct-78 Sep-72 Nov-78 Dic-78 91,54 91,09 149,89 198,42 45,32 152,28 63,54 A A A A A A B Altura del conductor (Hc (m)) 17,27 22,15 22,15 22,15 22,15 22,76 23,57 Altura del Cable de guardia (Hg (m)) 26,82 31,7 31,7 31,7 31,7 32,31 32,92 Máxima (Ohm) 78 120 - 225 - 38 75 Mínima (Ohm) 1 0,5 - 0,5 - 0,5 0,5 Promedio (Ohm) 14,5 11,9 - 43,6 - 10,1 18,7 Elevación máxima del conductor (m.s.n.m) 284 201 287 790 174 664 356 Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 50 55 0,52 1,17 0,23 1,16 0,27 0 0,76 Nombre Fecha puesta en Servicio Largo (Km) Tipo de Torre Resistencia de puesta a tierra Weakley Cordova Widows Creek Madison Widows Creek Sequoyah Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) Fecha puesta en Servicio Abr-77 May-66 Abr-72 Largo (Km) 150,54 73,69 79,6 Tipo de Torre A A A Altura del conductor (Hc (m)) 24 22,15 23,57 33,53 31,7 33,07 Máxima (Ohm) 90 175 225 Mínima (Ohm) 0,2 1 0,5 Promedio (Ohm) 3,2 38,7 45,9 Elevación máxima del conductor (m.s.n.m) 158 534 682 Nivel Ceráunico 55 55 55 0,35 1,13 1,16 Nombre Altura del Cable de guardia (Hg (m)) Resistencia de puesta a tierra Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 92 Bull Run - N. Knoxville No. 1 Charleston Athens Chickamauga Moccasin No. 1 Clarksville - West Nashville Ago-54 Feb-55 Nov-65 Ene-65 May-49 Sep-45 62,33 36,39 17,65 29,72 17,36 61,28 C C D D C C Hc1 15,06 15,06 15,06 15,06 15,11 19,94 Hc2 - - 19,41 18,95 - - Hc3 - - 24,28 23,45 - - Hg 21,49 21,49 30,71 29,87 21,49 26,37 Dc1 6,3 6,3 3,96 3,51 6,4 6,4 Dc2 - - 4,72 4,27 - - Dg 5,03 5,03 4,72 4,27 5,03 5,03 11 11 11 11 11 11 381 742 413 353 332 264 352 361 328 354 317 322 Nombre Fecha puesta en Servicio Largo [Km] Tipo de Torre AEDC - Belfas Appalachia - E. Cleveland No. 2 7.3 Anexo C: Datos de Operación de Líneas 161kV [23] Dimensiones [m] No. Aisladores Elevación máxima conductor [m.s.n.m] del Vano Promedio [m] Tipo Conductor 636 ACSR 636 ACSR 2034,5 ACSR 954 ACSR 2034,5 ACSR 636 ACSR Tipo Cable de Guardia 7/16'' HSS 7/16'' HSS 3 No. 6 Al 3 No. 6 Al 7/16'' HSS 7/16'' HSS Resistencia de puesta a tierra Máxima [Ohm] 100 27,5 35 48 - 68 Mínima [Ohm] 0,2 3,7 0,6 0,6 - 1 Promedio [Ohm] 35 13,9 10,6 22,9 - 12 Nivel Ceráunico 55 55 50 55 55 55 1,26 1,57 1,21 4,57 0 0,81 Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 93 Colbert Reynolds No. 1 Colbert Reynolds No. 2 Colbert Reynolds No. 3 Colbert - Tupelo No, 1 Davidson Radnor No. 1 Davidson Radnor No. 2 Fecha puesta en Servicio Jul-54 Jul-54 Ene-58 Oct-54 May-69 May-69 Largo [Km] 38,13 38,35 38,41 103,26 21,65 21,68 D D D C D D Hc1 19,94 19,94 15,06 19,94 19,94 15,06 Hc2 24,04 24,04 19,17 - 24,28 19,17 Hc3 28,47 28,47 23,6 - 29,16 23,6 Hg 34,9 34,9 30,02 26,37 35,59 30,02 Dc1 4,14 4,14 4,14 6,3 3,96 4,14 Dc2 4,9 4,9 4,9 - 4,72 4,9 Dg 4,9 4,9 4,9 5,03 4,72 4,9 No. Aisladores 11 11 11 11 11 11 290 290 292 308 366 359 340 336 337 343 309 322 2-954 ACSR 2-795 ACSR 7/16'' HSS Nombre Tipo de Torre Dimensiones [m] Elevación máxima conductor [m.s.n.m] del Vano Promedio [m] Tipo Conductor 795 ACSR 795 ACSR 954 ACSR 636 ACSR Tipo Cable de Guardia 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 3 No. 6 Al Máxima [Ohm] 47 47 100 350 15 - Mínima [Ohm] 0,1 0,1 0,2 0,5 1 - Promedio [Ohm] 10,9 10,9 11,3 35,2 4,1 - Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 55 2,44 0,37 1,12 2,77 0,79 0,4 Resistencia de puesta a tierra Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 94 Davidson - W. Nashville No. 2 Dyersburg Covington Fontana - Alcoa No. 1 Gallatin Lebanon Galletin Murfreesboro Galletin - North Nashville Abr-69 Nov-73 Dic-44 Dic-55 Jul-56 Nov-67 17,99 58,58 44,64 20,41 61,33 36,95 D C C D D D Hc1 16,28 19,99 19,58 18,72 19,94 21,16 Hc2 20,63 - - 22,82 24,04 25,26 Hc3 25,5 - - 27,26 28,47 29,69 Hg 31,93 26,37 26,39 33,68 34,9 36,12 Dc1 3,96 6,4 7,64 4,14 4,14 4,14 Dc2 4,72 - - 4,9 4,9 4,9 Dg 4,72 5,03 5,15 4,9 4,9 4,9 11 11 14 11 11 11 294 175 812 225 262 233 187 319 447 334 330 308 Nombre Fecha puesta en Servicio Largo [Km] Tipo de Torre Dimensiones [m] No. Aisladores Elevación máxima conductor [m.s.n.m] del Vano Promedio [m] Tipo Conductor Tipo Cable de Guardia 2034,5 ACSR 636 ACSR 636 ACSR 795 ACSR 795 ACSR 1351,5 ACSR 3 No. 6 Al 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS Resistencia de puesta a tierra Máxima [Ohm] 40 8,6 52 50 170 - Mínima [Ohm] 3 0,3 3 1,6 1,5 - Promedio [Ohm] 9,3 2,9 21 8,2 16,4 - Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 55 Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 0 0,73 1,6 0,7 1,63 2,16 95 Guntersville Cullman May-49 Oct-56 Jun-41 Abr-43 Largo [Km] 93,89 74,35 49,91 82,29 30,09 D C C C C Hc1 19,94 19,94 19,94 19,99 19,99 Hc2 24,05 - - - - Hc3 28,47 - - - - Hg 33,99 26,37 26,37 26,37 26,37 Dc1 3,96 6,4 6,3 6,4 6,4 Dc2 4,72 - - - - Dg 4,72 5,03 5,03 5,03 5,03 11 11 11 11 11 340 388 361 668 674 315 334 347 323 347 Tipo de Torre Hiwassee Apalachia Great Falls Murfreesboro Sep-66 Hiwassee - Alcoa Galletin - Summer Shade Fecha puesta en Servicio Nombre Dimensiones [m] No. Aisladores Elevación máxima conductor [m.s.n.m] del Vano Promedio [m] Tipo Conductor 954 ACSR 636 ACSR 636 ACSR 636 ACSR 636 ACSR Tipo Cable de Guardia 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS 7/16'' HSS Resistencia de puesta a tierra Máxima [Ohm] - 170 255 410 - Mínima [Ohm] - 1,35 0,4 1,1 - Promedio [Ohm] - 21,7 53,1 55,3 - Nivel Ceráunico 55 55 55 55 55 0,38 0,29 7,73 0,7 0,71 Tasa de interrupción de servicio producida por caída de rayos (por cada 100 Km por año) 96