Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA CAPITULO V Tesis de Grado - 111 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA COORDINACION DE AISLAMIENTO 5.1 CONCEPTOS Y DEFINICIONES La coordinación del aislamiento es el procedimiento de correlación entre la resistencia dieléctrica del equipo y de los aparatos de protección, con los sobrevoltaje esperados en el sistema. En otras palabras es el procedimiento seguido para que el equipo eléctrico no esté sometido a daños a causa de sobretensiones; y por otro lado, para localizar los contorneos cuando económicamente no pueden ser evitados, en puntos donde no pueden causar daños. En el presente trabajo, el método empleado será el de coordinar en un mismo diagrama las curvas voltaje – tiempo de los equipos a protegerse y la de los elementos protectores, con el fin de determinar el tipo y la cantidad de aislamiento requerido para dar un comportamiento satisfactorio al sistema. Para definir las curvas voltaje – tiempo del aislamiento es necesario dar las definiciones de sus valores característicos, como son: 5.1.1 DESCARGA DISRUPTIVA Es el arco eléctrico, usualmente intempestivo, que perfora la aislación, volviéndola conductora, definitivamente o al menos durante el tiempo que dura la descarga. 5.1.2 VOLTAJE CRÍTICO DE DESCARGA Es el voltaje de cresta de una onda de impulso normalizada, la cual causa una descarga en la cola de la onda para el 50 % de las aplicaciones. 5.1.3 VOLTAJE CRÍTICO DE RSISTENCIA DEL AISLAMIENTO (Critical Withstand Voltage) Es el voltaje que es capaz de resistir el aislamiento sin Tesis de Grado - 112 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA falla o descarga disruptiva cuando se somete pruebas bajo condiciones específicas. 5.1.4 VOLTAJE DE RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO NOMINAL (Rated Withstand Voltage) Es el voltaje al cual un aislamiento es solicitado a soportar sin falla o descarga disruptiva cuando se le somete a pruebas bajo condiciones específicas y dentro de las limitaciones de normas anteriormente establecidas. 5.1.5 NIVEL BASICO DE IMPULSO (NBI) Es la resistencia del aislamiento frente a un impulso de referencia, expresado en términos del valor de cresta del voltaje de resistencia del aislamiento, a una onda completa normalizada. TABLA V.1 Niveles de Aislamiento TENSIÓN MÁXIMA PARA EL EQUIPO KV ef. NIVEL DE AISLAMIENTO AL IMPULSO NIVEL DE AISLAMIENTO A BAJA FRECUENCIA Aislamiento Pleno KV cresta Aislamiento reducido KV cresta Aislamiento Pleno KV ef. Aislamiento reducido KV ef. 100 450 380 185 150 123 550 450 230 185 145 650 550 450 275 230 185 170 750 650 550 325 275 230 245 1050 900 825 750 460 395 360 325 300 1175 1050 900 510 460 395 362 1300 1175 1050 570 510 460 420 1675 1550 1425 1300 740 680 630 570 FUENTE: Publicación 71 de la CEI “Coordinación de Aislamiento” 4ª. Edición, 1967 Tesis de Grado - 113 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA En la tabla V.1 aparecen los niveles de aislamiento adoptados por la CEI, correspondientes a los niveles normales de tensión para alturas sobre el nivel del mar igual o menores de 1000 metros que es la altura normalizada. Se puede observar en la tabla que la columna del nivel de aislamiento al impulso se divide en dos columnas, una para el aislamiento pleno y la otra para el aislamiento reducido. A medida que el valor de la tensión máxima crece, el número de valores de tensión del aislamiento reducido también crece para un mismo valor de la tensión máxima. 5.1.6 ONDA COMPLETA NORMALIZADA DE IMPULSO Es un impulso que aumenta a su valor de cresta de voltaje en 1.5 o 1.2 microsegundos y cae a la mitad de su valor de cresta en 40 o 50 microsegundos. Estos tiempos medidos desde el mismo sitio de origen. Los tiempos de origen, así como los de duración de la onda, varían de acuerdo a las diferentes normas. En adición a estos valores, también se acostumbra a mostrar en la curva voltaje – tiempo: el voltaje de resistencia de aislamiento para una sobretensión de maniobra normalizada (100/2.100 µseg., según IEE); el voltaje de resistencia del aislamiento para frente de onda, cuyo valor se determina en el corte de la curva voltaje – tiempo con la pendiente de onda especificada según normas, en función del voltaje nominal del pararrayos y el voltaje de resistencia del aislamiento para onda cortada. Estas definiciones se ilustran en la figura V.1. 5.2 NIVEL DE AISLAMIENTO DEL TRANSFORMADOR En el capitulo III definimos dos alternativas de pararrayos que podemos aplicar para nuestro estudio, la alternativa 1 con un pararrayos de 48 KV de voltaje nominal, y la alternativa 2 con un pararrayos de 60 KV de voltaje nominal. En la tabla V.2 se detallan los valores para el nivel básico de aislamiento al impulso (NBI), como también el nivel básico de aislamiento por maniobra (NBS). Tesis de Grado - 114 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA VOLTAJE (KV) PENDIENTE DE ONDA ESPECIFICADA POR NORMAS. EN FUNCIÓN DEL VOLTAJE NOMINAL DEL PARARRAYOS (KV/useg) VOLTAJE DE RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO A ONDA CORTADA VOLTAJE DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO DE FRENTE DE ONDA FRENTE DE DESCARGA DESCARGA DE CRESTA DESCARGA DE COLA CURVA VOLTAJE - TIEMPO NIVEL BÁSICO DE IMPULSO (NBI) VOLTAJE DE DESCARGA CRITICO (CFO) VOLTAJE CRITICO DE RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO (WITHSTAND CRITICAL) DESCARGAS CRITICAS 50 % DE LAS APLICACIONES VOLTAJE DE RESISTENCIA DEL AISLADOR PARA SOBRETENSIONES DE MANIOBRA VOLTAJE NOMINAL DE RESISTENCIA DEL AISLAMIENTO (WITHSTAND RATED) TIEMPO DE DESCARGA DE CRESTA RANGO DE TIEMPO DE DESCARGA DE FRENTE Tesis de Grado FIGURA V.1 RANGO DE TIEMPO DE DESCARGA DE COLA RANGO DE TIEMPO SIN DESCARGA DE IMPULSO - 115 - CURVA VOLTAJE – TIEMPO CARACTERÍSTICA TIEMPO (useg) Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA 5.2.1 Determinación del nivel de aislamiento por maniobra (NBS). Para poder determinar los NBI y NBS del equipo se pueden emplear las siguientes expresiones: Para aislamientos no auto recuperables (aislamientos internos), no afectados por condiciones ambientales. a) Ondas por maniobra de interruptores NBS 1.15 (Tensión de arqueo del pararrayos por impulso de maniobra) (5.1) O también NBS 1.15 (Valor de la onda máxima por impulso de maniobra). b) Por rayo NBI 1.2 (Tensión residual del pararrayos para una onda impulso de 1.2 /50) NBI 1.043 (Tensión de arqueo por frente de onda del pararrayos). El valor de 1.15 en el cálculo del NBS y de 1.2 en el cálculo de NBI se denomina “relaciones de protección” y representan los márgenes de protección. El valor de 1.043 se obtiene como el cociente de 1.2/1.15 y donde 1.15 es el valor de la onda cortada a 3 µseg de una onda de 1.2/50 en por unidad del NBI tomado como 1.15. De acuerdo a la tabla III.2 del capitulo 3, determinamos el NBS de la siguiente manera Tesis de Grado - 116 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA TABLA V.2 NIVELES DE AISLAMIENTO TRANSITORIO (NBI Y NBS) PARA TRANSFORMADORES SUMERGIDOS EN ACEITE, INTERRUPTORES Y CUCHILLAS DE 46 A 550 KV (NBS = 0.83 NBI) TENSIÓN DEL SISTEMA (KV) TRANSFORMADORES (INTERIOR) BOQUILLAS DE TRANSFORMADORES INTERRUPTORES CUCHILLAS NBI NBS NBI NBS NBI NBS NBI NBS (KV) (KV) (KV) (KV) (KV) (KV) (KV) (KV) 48.3 250 ---- 250 ---- 250 ---- 250 ---- 69 72.5 350 ---- 350 ---- 350 ---- 350 ---- 115 123 350 450 (*) 550 290 375 460 550 ---- 550 ---- 550 ---- 138 145 450 550 (*) 650 375 460 540 650 ---- 550 ---- 550 ---- 161 169 650 750 540 620 750 ---- 750 ---- 750 ---- 230 245 750 825 900 (*) 975 1050 620 685 745 810 870 750 900 1050 ---------- 900 ------- 900 1050 ------- 900 700 1300 825 1050 (700) 900 1050(*) 1175 1300 745 870 975 1080 1050 1175 825 825 1175 (825) NOMINAL MAXIMA 46 362 362 NOTAS: 1. (*) valores preferidos de NBI. 2. Los valores de NBS para tensiones de 362 KV y mayores que están entre paréntesis no han sido normalizados. 3. Para 362 KV y tensiones mayores solo se emplea la tensión máxima. Tesis de Grado - 117 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Alternativa 1: Pararrayos con voltaje nominal de 48 KV. NBS 1.15 155 179 KV. Alternativa 2: Pararrayos con voltaje nominal de 60 KV. NBS 1.15 190 219 KV. 5.2.2 Tensión máxima en el lugar de ubicación del pararrayos. Estudios realizados anteriormente aconsejan un valor para el nivel básico de impulso (NBI), que toma en cuenta el voltaje de descarga del pararrayos, más el aumento producido por la distancia existente entre pararrayos y el transformador (x). Para aplicar este método al presente sistema se ha asumido que la distancia entre el transformador y el pararrayos sea de 27 metros, siendo este valor el determinado empleando el pararrayos de 60 KV de voltaje nominal. 5.2.2.1 El primer paso consiste en determinar el nivel de protección del pararrayos (Vp) que esta definido como la tensión máxima que puede aparecer en le punto de conexión del pararrayos con la línea, durante el ciclo de funcionamiento. Se escoge uno de los mayores niveles siguientes: a) Vp1 = Máximo voltaje de descarga que se produce en condiciones de servicio. Según dato del fabricante para el pararrayos de 60 KV se tiene un valor de 190 KV de cresta de descarga para onda de 1.2 x 50, según normas ANSI (Tabla III.2). b) Vp2 = Máxima tensión que aparece en el punto de conexión del pararrayos, una vez producida la descarga del explosor, este valor será: Vp2 ER L Tesis de Grado di dt (5.2) - 118 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Figura V.2 MAXIMA TENSIÓN Vp2 EN EL PUNTO DE LOCALIZACIÓN DEL PARARRAYOS - El valor de ER es de 160 KV para una corriente de descarga determinada de 5 KA. (Tabla III.2). - La inductancia del cable de 266.8 MCM es aproximadamente 0.41 - Para saber el valor de la pendiente H m di se sabe que la corriente de descarga dt es de 5 KA y es su forma de onda típica especificada por normas IEC de 8/20 µseg. Entonces la pendiente resultante de la onda de corriente será: 5KA di KA 0.625 dt 8seg. seg. Y aplicando la formula 5.2 para una longitud de conexión pararrayos – línea de 15 metros. Tesis de Grado - 119 - Ronald Miguel Jiménez Vélez Vp2 160 KV . 0.41 UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA H m 15m. 0.625 KA seg. | Vp2 164 KV . Como Vp1 es mayor que Vp2 escogemos un nivel de protección de 190 KV. 5.2.2.2 El voltaje máximo que se presentaría en el transformador (VMT), luego de la descarga, obedece a la formula siguiente: (ver Capitulo IV) VMT Vp 2 XT (5.3) Figura V.3 MAXIMA TENSIÓN Vp EN EL PUNTO DE LOCALIZACIÓN DEL PARARRAYOS O sea que al arribar la sobretensión a través de la línea, a la localización del pararrayos, este descarga a un valor igual a su nivel de protección. La onda cortada por el pararrayos de una pendiente determinada S (KV/µseg.), recorre la distancia X en un tiempo T con una velocidad igual a la de la luz (300m/µseg.); y llega al transformador aumentando al doble de su valor debido a la reflexión (Figura V.3). Para nuestro caso asumiremos una pendiente de voltaje (S) a 500 KV/µseg., que Tesis de Grado - 120 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA corresponde a una descarga que cae sobre el conductor de la línea a la distancia de una milla de la subestación; debido a una falla del apantallamiento. Si el equipo por proteger principalmente el transformador, se debe tener un margen de protección mínimo del 20 % debajo de su nivel de aislamiento de manera que la tensión máxima permisible en el transformador sería (Tabla V.2) V max 350 0.2 350 280 KV . Entonces las distancias máximas permisibles determinadas en el capitulo IV serían X Para la alternativa 1; Vp = 155 KV; asumiremos S = 400 KV/µseg. X 300 V max Vp 2S 300 280 155 46.87 metros. 2 400 Para la alternativa 2; Vp = 190 KV; con S = 500 KV/µseg. X 300 280 190 27 metros. 2 500 Suponiendo que el transformador se encuentra a X = 15 metros del pararrayos al ingreso de la subestación, el tiempo empleado T en cubrir la distancia X será: T 15m. 0.05seg. 300m / seg. Y la tensión máxima que aparecería aplicando la formula 5.3 seria: Tesis de Grado - 121 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Para la alternativa 1; Vp = 155 KV. VMT 155KV 2 500 KV 0.05seg. seg. VMT 195KV . Para la alternativa 2; Vp = 190 KV. VMT 190 KV 2 500 KV 0.05seg. seg. VMT 240KV . Para tomar la decisión de que pararrayos seleccionar según las dos alternativas propuestas, las cuales resuelven el problema satisfactoriamente se deberá considerar lo siguiente: 1. Que con el pararrayos de la alternativa 1 se tiene un mayor margen de protección, pero es probable que opere con mayor frecuencia, ya que su tensión de operación es baja 48 KV respecto al valor teórico calculado de 58 KV. 2. Que con el pararrayos de la alternativa 2 se cubre también el margen de protección, va a operar con menor frecuencia que el de la alternativa 1 pero probablemente su costo sea superior. 5.2.2.3 La presente referencia da un factor de seguridad de 25 % entre este valor de VMT y el NBI, es decir: NBI 1.25 VMT (5.4) NBI 1.25 240 300 KV. Tesis de Grado - 122 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA De acuerdo a los criterios expuestos en 5.2.1 y 5.2.2 se ha escogido un NBI normalizado de 350 KV aconsejado por normas IEC 99.1 (Tabla V.2). 5.2.3 Pruebas de aislamiento del transformador. En complemento con la selección del nivel básico de aislamiento (NBI), se debe estipular en el diseño las pruebas a que debe someterse el aislamiento del transformador en el momento de su recepción, para la cual se ha seguido uno de los últimos reportes de la IEEE, que presenta un método de coordinación de aislamiento basado en estas pruebas. 5.2.3.1 Pruebas de Impulso a) La magnitud mínima de la onda de impulso para estas pruebas debe ser de 1.25 veces el máximo nivel de protección del pararrayos empleado. Este criterio podría aplicarse para la selección del nivel básico de impulso, pero para nuestro caso como ya hemos escogido un nivel de 350 KV debemos usar este mismo voltaje para esta prueba, como lo prescriben las normas internacionales. Este nivel es muy superior al mínimo prescrito de 1.25 veces el nivel de protección del pararrayos empleado de 60 KV que seria de 1.25 190 238 KV. b) Para prueba de impulso con onda cortada se debe tener un mínimo de 1.15 veces el nivel de impulso de onda completa (1.2 x 50), es decir 1.15 350 403 KV. Tesis de Grado - 123 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA 5.2.3.2 Pruebas de sobretensiones de maniobra. a) Para las pruebas con ondas correspondientes a sobretensiones de maniobra tanto en seco como en húmedo, el voltaje mínimo de prueba fase – neutro será de 1.15 veces el nivel de protección a maniobra del pararrayos aplicado. Prueba de sobretensión de maniobra fase – neutro: 1.15 160 184 KV. b) Para las pruebas fase – fase de maniobra, el voltaje será menor a 3.4 pu con respecto al máximo voltaje de pico fase – neutro del sistema. Prueba de sobretensión de maniobra fase – fase: 3.4 72.5 2 202 KV. 3 Esta prueba no depende de las características del pararrayos, sino de la clase de voltaje del sistema. 5.2.3.3 Pruebas a frecuencia industrial Los voltajes mínimos de prueba deben ser 1.5 veces el máximo voltaje nominal Fase – neutro del equipo. Este valor debe ser soportado por el aislamiento durante una hora. Esta prueba ha sido también obligatoriamente prescrita por normas internacionales para cada nivel básico de impulso. En el caso en estudio tenemos 1.5 72.5 2 Tesis de Grado 3 89 KV. - 124 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Los valores seleccionados para las pruebas de maniobra deben escogerse de entre los valores de niveles básicos de aislamiento (NBI) que más se ajusten a los valores calculados para la forma de onda especificada. Es decir que la magnitud de voltaje de prueba para onda de maniobra se obtiene a partir de la tabla V.3, que muestra los valores normalizados de niveles básicos de impulso. TABLA V.3 VALORES DE NIVELES BASICOS DE IMPULSO PARA SELECCIÓN DE PRUEBAS DE SOBRETENSIONES DE MENIOBRA SEGÚN NORMAS IEC NBI (KV.) 380 1050 450 1175 550 1300 650 1425 750 1550 825 1675 900 1800 Este método es convencional y se basa en varias experiencias. Asume un valor en el sistema; y luego aplica un margen de seguridad, del cual se deriva el voltaje que debe soportar el aislamiento. Cabe indicar además que el máximo valor de sobretensión de maniobra asumido por este método es de 2.5 pu del voltaje máximo fase – neutro, es decir que, si en un sistema en estudio se presentan sobrevoltajes mayores, es necesario limitar el sobrevoltaje a este valor antes de aplicarlo. Los valores de pruebas a que se debe someterse el aislamiento del transformador, así como las características de protección del pararrayos, se resumen en la tabla V.4. Tesis de Grado - 125 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA TABLA V.4 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO TRANSFORMADOR – PARARRAYOS (KV) (Para pruebas de impulso, Onda cortada y Maniobra) 1. Voltaje nominal del sistema VN 69 2. Máximo voltaje de operación del sistema (1.05 x VN) = VMS 3. Voltaje nominal del sistema VN 72.5 60 4. Niveles de protección del pararrayos - Para impulso (1.2 x 50) / Voltaje de descarga (ER) a 5 KA - Para sobretensiones de maniobra 190/160 160 5. Mínimos niveles de aislamiento del transformador: - Para impulso 1.25 (1.2 x 50) o 1.25 (ER) 238 - Para maniobra fase – neutro 1.15 x (S.S.LA) 184 - Para frecuencia industrial (1.5 x VMS) 89 6. valores de prueba según normas IEC: - Para impulso (pruebas de rutina normalizadas) 350 - Para maniobra 350 - Para onda cortada ----- - Para frecuencia industrial (pruebas de rutina normalizadas) 140 Es necesario hacer notar que el aislamiento de los bushings del transformador (aislamiento externo), sufren una disminución de resistencia dieléctrica debido a la altitud de instalación (2100 metros); es decir que es proporcional al valor de la densidad relativa del aire en las condiciones del terreno, cuyo valor es de 0.748, obtenido en el punto 2.5.2.1 del Capítulo II. Es decir que el aislamiento externo del transformador deberá tener un nivel básico de impulso (NBI) de 350 KV., según normas IEC 99.1, para que a sus condiciones de instalación se comporte como un nivel de 350 x 0.748 = 262 KV. Tesis de Grado - 126 - Ronald Miguel Jiménez Vélez 5.3 NIVEL DE UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA AISLAMIENTO DE TRANSFORMADORES DE CORRIENTE, DE TENSIÓN, DE DISYUNTORES, SECCIONADORES Y CAPACITORES DE ACOPLAMIENTO Para todo este equipo eléctrico de la subestación se ha considerado un nivel básico de impulso de aislamiento (NBI) preferido por normas internacionales, para este nivel de voltaje de 69 KV que corresponde a un valor de 350 KV. (Ver tabla V.2). Se debe hacer notar que el aislamiento de este equipo eléctrico está totalmente expuesto a las condiciones atmosféricas, es decir que sufrirá una disminución de su resistencia dieléctrica proporcional al valor de densidad relativa del aire de 0.748; igualmente que para el aislamiento externo del transformador. 5.4 CURVAS VOLTAJE – TIEMPO De lo anotado anteriormente, y con los datos obtenidos del aislamiento de la línea del capitulo II, se ha procedido a elaborar la coordinación de aislamiento de las curvas voltaje – tiempo de los distintos aislamientos componentes de la subestación. Se ha estimado conveniente que el nivel mayor de aislamiento este dado para las barras de la subestación, lo cual se consigue aumentando una o dos unidades a las cadenas de la línea de transmisión. La coordinación de aislamiento se muestra en la figura V.4 en función del voltaje pico KV como ordenada y el tiempo en µseg como abscisa al nivel del mar. 5.5 DETERMINACIÓN DE DISTANCIAS DIELÉCTRICAS EN SUBESTACIONES En este punto del presente trabajo tiene por objeto especificar los espaciamientos mínimos que deben guardar entre si los conductores que forman las barras, así como Tesis de Grado - 127 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA 1000 900 800 Barra (9 Aisladores) 700 Línea (8 Aisladores) 600 FRENTE DE ONDA 500 KV/useg 500 PRUEBA DE IMPULSO (onda cortada) 400 PRUEBA DE IMPULSO (onda completa) 350 KV NBI 300 TRANSFORMADOR = 83 % NBI 200 5 PARARRAYOS DE 60 KV 100 * VOLTAJES MÁXIMOS DE DESCARGA (IR) PARA ONDA DE 8 x 20 useg QUE TIENE LA MAGNITUD ANOTADA EN KA 1 2 3 4 5 10 100 1000 TIEMPO EN MICROSEGUNDOS Tesis de Grado - 128 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA también las distancias mínimas entre conductores y tierra; para evitar la presencia del arco a través del aislamiento dado por la separación del aire. En una subestación, para tener una coordinación de aislamiento adecuada, se deben fijar las distancias mínimas a través del aire, entre partes vivas de fases diferentes, y entre parte viva de fase y tierra. Para ello vamos a definir ciertos conceptos que utilizaremos, para comprender el problema. Tensión critica de flameo (TCF). Se designa como tensión crítica de flameo a la tensión obtenida en forma experimental, que presenta una probabilidad de flameo del 50 %. La relación entre TCF y el NBI para una probabilidad de falla del 10 %, esta dada en forma experimental por: NBI = 0.961 TCF (Considerando una desviación estándar del fenómeno de 3%). En las normas se calcula el valor de la tensión crítica de flameo a partir del nivel básico de impulso al nivel del mar, o sea (TCF ) normal NBI 0.961 Para el caso de una tensión nominal de 69 KV, con un NBI = 350 KV, (TCF ) normal 350 364.2 KV 0.961 Para diseño se utiliza la (TCF) normal corregida por altitud y por humedad o sea Tesis de Grado - 129 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA (TCF ) diseño (TCF ) normal K h (5.5) Donde (TCF) normal = valor de la tensión crítica de flameo en condiciones normales de temperatura, presión y humedad, ósea cuando δ = 1 y Kh = 1. δ = Factor de densidad del aire de acuerdo con la altitud y temperatura. Kh = Factor de humedad atmosférica La relación entre la (TCF)diseño y la distancia dieléctrica entre electrodos es tal, que para un impulso producido por un rayo, considerando un gradiente de tensión que varía entre 500 y 600 KV/m, se obtiene la siguiente expresión (TCF ) diseño K .d Donde K = gradiente de tensión en KV/m. d = distancia de fase a tierra en m. Despejando d y utilizando el valor promedio de K, la expresión queda en la siguiente forma: d (TCF ) diseño 550 Sustituyendo el valor de la expresión (5.5) la distancia en metros queda: d Tesis de Grado (TCF ) normal K h 550 (5.6) - 130 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Confirmado lo expresado anteriormente, las distancias dieléctricas también se pueden corregir por altitud partir de 1000 m.s.n.m., de acuerdo con la expresión (5.7), se considera un incremento en la distancia dieléctrica por altura de 1.25 % por cada 100 metros de incremento en altitud. El tramo de cero a mil metros, se considera dentro de la corrección. h 1000 d h d1000 0.0125 d1000 100 (5.7) Donde: dh = distancia dieléctrica a la altura h m.s.n.m. d1000 = distancia dieléctrica a la altura de 1000 m.s.n.m. La tabla V.5 muestra los valores de la distancia mínima de fase a tierra, para d = 1000 m, para una tensión nominal de 69 KV. Tabla V.5 DISTANCIA MINIMA ENTRE FASE Y TIERRA PARA d = 1000 m Tensión nominal del sistema KV NBI KV 69 350 δ a 1000 m.s.n.m. 0.893 (TFC)normal NBI 0.961 364.2 KV (TFC)diseño = (TCF)normal / δ 408 KV Distancia mínima de fase a tierra d1000 = m 0.74 Al aplicar la expresión 5.7 obtenemos la distancia mínima de fase a tierra para una altura de 2100 m.s.n.m. Tesis de Grado - 131 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Tabla V.6 DISTANCIA MINIMA ENTRE FASE Y TIERRA A 2100 M.S.N.M. Tensión nominal del sistema (KV) Distancia mínima de fase a tierra (d1000) Metros Distancia mínima de fase a tierra (d2100) Metros 69 0.74 0.84 Tomando en cuenta que la configuración real entre las partes vivas de una subestación es diferente de la configuración placa – varilla utilizada para establecer valores mínimos de no flameo de la tabla V.5, la CEI recomienda que la distancia mínima entre fases y tierra para tensiones menores a 245 KV, se obtiene aumentando en 10 % los valores mínimos de no flameo, para la tensión de que se trate. Si la tensión es superior a 380 KV, un aumento de 6 % es suficiente. 5.5.1 Distancia dieléctrica entre fases La distancia mínima entre fases puede determinarse teniendo en cuenta que la tensión máxima que puede aparecer entre fases, es igual al nivel de aislamiento de impulso (NBI) más el valor de cresta de la onda de tensión a tierra, de frecuencia fundamental, correspondiente a las condiciones fundamentales de operación. Esto conduce a elegir una distancia mínima entre fases, 15 % mayor que las distancia mínima a tierra, según la recomendación de la CEI, en su publicación 71-A. Como practica en el diseño de subestaciones, las distancias entre los ejes de los conductores de fases diferentes, y entre el eje conductor de fase y tierra, se fijan aumentando a sus respectivas distancias mínimas el diámetro exterior de los conductores, o bien, las dimensiones exteriores de las partes vivas de los aparatos conectados. Para buses flexibles, hay que tomar en cuenta los desplazamientos debidos al viento Tesis de Grado - 132 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA y a los mismos. Por ello, las distancias mínimas de diseño se pueden expresar como el producto de un factor de 1.8 a 2.0, por la distancia mínima de fase a tierra dada de acuerdo con la altura sobre el nivel del mar del lugar de la instalación. El valor de 1.8 se aplica para claros, en buses, del orden de 40 m, mientras que el valor de 2.0 se aplica para claros mayores de 40 m, obteniéndose los siguientes valores para una tensión nominal de 69 KV del sistema. Tabla V.7 DISTANCIA ENTRE FASES A 2100 M.S.N.M. Tensión nominal del sistema (KV) 69 NBI KV 350 Distancias mínimas Fase a tierra (m) Entre fases (m) 0.84 1.51 Factor Redondear a m 1.8 1.50 Las distancias mínimas entre conductores aéreos y áreas por donde puede circular el personal de mantenimiento es igual a la distancia mínima fase a tierra, mas una distancia de 2.6 m, que considera la altura de un hombre con los brazos levantados. Para la separación mínima entre conductores aéreos y áreas de circulación de vehículos se ha especificado una distancia igual a la mínima fase a tierra más 3.22 m, es decir la altura de un camión con un hombre parado en el tope. Todos los resultados obtenidos por el método descrito anteriormente se resumen en la tabla V.8. Cabe indicar que los valores de distancias entre fases y fase – tierra para partes rígidas están dadas de metal a metal, por consiguiente para obtener los espaciamientos de centro a centro se debe considerar los aumentos debido a los herrajes (Todos los datos de la tabla siguiente no esta considerado la longitud de los herrajes). Tesis de Grado - 133 - Ronald Miguel Jiménez Vélez UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA Tabla V.8 ESPACIAMIENTOS MINIMOS EN AIRE PARA LA SUBESTACIÓN Voltaje nominal 69 KV Nivel básico de impulso 350 KV Distancia mínima entre: Corregida a 2100 m.s.n.m. Fase a tierra 0.84 m Fase y fase 1.50 m Conductores aéreos y áreas de circulación de personal en la subestación 3.44 m Conductores aéreos y áreas de circulación de vehículos 4.08 m Para niveles de tensión nominales superiores a 230 KV, las sobretensiones originadas por maniobra de interruptores son más críticas que las de impulso debidos a rayos y, en consecuencia, las distancias mínimas entre fases y de fase a tierra deben fijarse de acuerdo con este tipo de sobretensiones. Por otro lado, la distancia entre fases es uno de los factores que inciden en la magnitud del gradiente de potencial en la superficie de los conductores, el cual debe limitarse a valores inferiores al gradiente crítico, a partir de cuyo valor se inicia el efecto corona. Tesis de Grado - 134 -
