Guía para mejorar líneas eléctricas ante descargas tipo rayo

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Electroporcelana GAMMA
S.A.
Empresa de la Organización Corona
Boletín No. 43, Enero – Marzo 2002
GUÍA PARA MEJORAR EL COMPORTAMIENTO BAJO
DESCARGAS TIPO RAYO DE LAS LÍNEAS AÉREAS
DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA
Norma IEEE std 1410
Versión al español por el Ing. Adolfo Cano Hencker
PRIMERA PARTE
interrupciones momentáneas son una gran
preocupación.
INTRODUCCIÓN
(Esta introducción no hace parte de la guía
pero sí del documento original IEEE Std
1410).
Las descargas tipo rayo son la mayor causa de
fallas de las líneas aéreas típicas de
distribución. La creciente preocupación por la
calidad de la energía eléctrica ha creado aún
más interés en las descargas atmosféricas y el
mejoramiento de las protecciones contra las
descargas tipo rayo de las líneas aéreas de
distribución está siendo considerado como
una forma de reducir el número de
interrupciones
momentáneas
y
las
disminuciones de voltaje.
Las descargas atmosféricas tipo rayo causan
generalmente fallas temporales en las líneas
aéreas de distribución. Si la falla es aclarada
por un interruptor o por un conmutador, el
circuito será cerrado exitosamente. En el
pasado esto era aceptable, pero ahora con la
proliferación de cargas sensitivas, las
Las descargas atmosféricas tipo rayo pueden
causar también fallas permanentes. Se cree
que de las fallas causadas por descargas
atmosféricas el 5% al 10% causan daño
permanente al equipo (el proyecto EPRI
2542-1 reporta 9%). Las fallas temporales
pueden causar interrupciones permanentes si
la falla es aclarada por un elemento de
protección de un disparo, tal como un fusible.
Estimar el comportamiento ante las descargas
tipo rayo de una línea de distribución tiene
mucha incertidumbre. Algunos de los puntos
básicos tales como la intensidad de descargas
medida por la densidad de rayos a tierra, DRT
(GFD: Ground flash density), o estimar el
número de descargas a una línea puede tener
errores muy significativos. Muchas veces,
estimaciones preliminares o prácticas
generalmente aceptadas son tan efectivas
como cálculos muy detallados. Esta guía trata
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de presentar estimaciones más acordes de
fallas causadas por descargas tipo rayo.
El objetivo de esta guía es proveer los datos
aproximados de las fallas causadas por
descargas tipo rayo y la efectividad de varias
opciones de mejoramiento.
Los datos aproximados usando esta guía
pueden ser utilizados para comparar la
protección mejorada para descargas tipo rayo
con otros métodos de mejoramiento de la
confiabilidad del sistema y de la calidad de la
energía tales como los programas de corte de
ramas de los árboles o esquemas de
protección mejorados tales como el uso de
equipos de recierre o seccionadores. Esta guía
también será útil en la evaluación de las
normas de diseño.
1. RESUMEN
Esta guía de diseño contiene información
sobre los métodos para mejorar el
comportamiento bajo descargas tipo rayo de
las líneas aéreas de distribución. Esta guía
reconoce que no existe un diseño de línea
perfecto y que se deben hacer una serie de
compromisos en cada diseño de línea de
distribución. Mientras que algunos parámetros
tales como el voltaje, el trazado y la
capacidad pueden ser predeterminados, otras
decisiones son tomadas a discreción del
diseñador. El diseñador o proyectista puede
ejercer control sobre el material y la
geometría de la estructura, el apantallamiento
y los sistemas de protección, la cantidad de
aislamiento, el sistema de puestas a tierra y la
colocación de pararrayos. Esta guía ayudará al
diseñador de líneas de distribución a
optimizar el diseño de la línea a la luz de las
consideraciones costo - beneficio.
1.1. Alcance
Esta guía identificará los factores que
contribuyen
a las fallas causadas por
descargas tipo rayo en líneas aéreas de
distribución y sugerirá mejoras a las
construcciones existentes y a las nuevas.
Esta guía está limitada a la protección de
líneas de distribución para sistemas de tensión
hasta de 69 kV.
Las consideraciones sobre protección de
equipos están cubiertas en la IEEE Std
C62.22-1991. (1)
1.2. Propósito
El propósito de esta guía consiste en presentar
alternativas para reducir los flameos causados
por las descargas tipo rayo en las líneas aéreas
de distribución.
2.
REFERENCIAS
Esta guía será utilizada conjuntamente con las
siguientes normas. Cuando estas normas sean
reemplazadas por una nueva revisión
aprobada, deberá aplicar dicha revisión. Estas
referencias se actualizarán automáticamente
durante el proceso de edición. (*)
3.
DEFINICIONES
3.1. Flameo inverso (descarga tipo rayo):
Un flameo del aislamiento resultante de
una descarga tipo rayo a una parte de la
red o de la instalación eléctrica que está
normalmente a un potencial tierra.
3.2. Nivel básico de aislamiento al impulso,
NBA (BIL) (Tensión nominal de
prueba de impulso): Capacidad de
aislamiento al impulso de referencia
expresada en términos del valor cresta de
la tensión soportada de una onda estándar
completa de tensión de impulso.
3.3. Voltaje de flameo de impulso crítico,
VFIC (CFO) (aisladores): El valor
cresta de la onda de impulso que, bajo
condiciones especificadas, causa flameo a
través del medio que lo rodea en el 50%
de las aplicaciones.
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3.4. Descarga directa: Una descarga directa
tipo rayo a cualquier parte de la red o
instalación eléctrica.
3.5. Línea de distribución: Líneas de energía
eléctrica que distribuyen energía desde
una subestación de suministro principal a
los usuarios, generalmente a tensiones de
34.5 kV o menos. Esta guía aplica a
tensiones iguales o menores a 69 kV.
3.6. Flameo (general): Una descarga
disruptiva a través del aire alrededor o
sobre la superficie de un aislante sólido o
líquido, entre partes de diferente
potencial o polaridad, producido por la
aplicación de un voltaje en el cual la
trayectoria del arco llega a estar lo
suficientemente ionizada para mantener
un arco eléctrico.
3.7. Electrodo a tierra: Un conductor o un
grupo de conductores en contacto íntimo
con tierra con el fin de suministrar una
conexión a tierra.
3.8. Densidad de descargas tipo rayo a
tierra, DRT (GFD) (Ng): El número
promedio de descargas tipo rayo por
unidad de área por unidad de tiempo en
una ubicación particular.
3.9. Aislador tensor: Un elemento aislante,
generalmente de forma elongada, con
huecos o ranuras transversales, cuya
finalidad es aislar dos secciones de una
retenida o de proveer aislamiento entre la
estructura y el artificio de sujeción y
también de proveer protección en el caso
de una falla de los cables. Los aisladores
de porcelana tipo tensor o tipo retenida
están diseñados para someter la porcelana
a esfuerzos de compresión, mientras que
los aisladores de madera equipados con
los herrajes apropiados son utilizados
generalmente en esfuerzos de tensión.
3.10. Cable tensor o de retenida: Un cable
retorcido utilizado para soportar una
tensión semi - flexible entre un poste o
estructura y la varilla de anclaje, o entre
estructuras.
3.11. Descarga indirecta: Una descarga tipo
rayo que no golpea directamente ninguna
parte de la red pero que induce en ella
una sobretensión.
3.12. Tensión inducida (descargas tipo
rayo): El voltaje o la tensión inducida en
una red o en una instalación eléctrica por
una descarga indirecta.
3.13. Primera descarga tipo rayo: Una
descarga tipo rayo a tierra iniciada
cuando la punta de un líder escalonado
descendente choca con un líder
ascendente desde tierra.
3.14. Subsiguiente descarga tipo rayo: Una
descarga tipo rayo que puede seguir una
trayectoria ya establecida por una primera
descarga.
3.15. Descarga tipo rayo: La descarga
completa
tipo
rayo
compuesta
normalmente de líderes desde una nube
seguidos de una o más descargas de
retorno.
3.16. Salida por descargas tipo rayo: Una
falla de energía que viene después de un
flameo por descarga tipo rayo y que
resulta en una falla en el sistema de
corriente, que requiere de la operación de
un dispositivo de maniobra para aclarar la
falla.
3.17. Desempeño de la línea ante las
descargas
atmosféricas:
El
funcionamiento de la línea expresado
como el número anual de flameos por
descargas tipo rayo, tomando como base
una milla de circuito o una milla de línea
- torre. Ver protección contra descargas
directas.
3.18. Pararrayos de óxido metálico, POM
(MOSA): Un pararrayos que utiliza
elementos tipo válvula fabricados de
óxidos metálicos con resistencias no
lineales.
3.19. Cable de guarda en parte superior,
CGPS (OHGW): Cable o cables de línea
de tierra colocados sobre las fases
conductoras con el fin de interceptar
descargas directas para proteger las fases
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3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
conductoras de descargas directas. Ellas
pueden tener puestas a tierra directa o
indirectamente a través de pequeños gaps
(espacios muy pequeños). Ver protección
contra descargas directas.
Ángulo de apantallamiento: El ángulo
entre la línea vertical a través del cable de
guarda o línea de tierra en la parte
superior y las fases conductoras que
pasan por debajo de ella. Ver protección
contra descargas directas.
Cable de protección: Cables de guarda
colocados cerca de los conductores de
fase con los siguientes fines:
a. Proteger las fases conductoras de
descargas directas tipo rayo.
b. Reducir los voltajes inducidos de
campos electromagnéticos externos.
c. Disminuir la auto - impedancia de un
sistema de cable de guarda.
d. Aumentar la impedancia mutua del
sistema de cable de guarda a los
conductores de fase protegida.
Distancia explosiva (Spark gap):
Cualquier distancia corta entre dos
conductores eléctricamente aislados o
remotamente conectados eléctricamente
uno a otro.
Pararrayos o supresor de ondas tipo
rayo: Un elemento protector para limitar
los picos de voltaje sobre el equipo,
desviándolos a picos de corriente y
retornando el equipo a su estado original.
El elemento puede repetir estas funciones
como se estipula.
Nota. El término pararrayos como se utiliza
en esta guía se entiende que significa supresor
de picos.
4.
PARÁMETROS
DESCARGAS
(RAYOS)
4.1. Incidencia
atmosféricas
de
DE
LAS
ATMOSFÉRICAS
las
descargas
Las descargas atmosféricas ocurren durante
las tempestades, las ventiscas de nieve y otros
fenómenos naturales. Sin embargo, en la
mayor parte de las áreas, las tempestades son
la fuente principal de las descargas
atmosféricas. Las tempestades producen
descargas atmosféricas dentro de la nube,
nube a nube y nube a tierra. Las descargas
atmosféricas dentro de la nube son las más
frecuentes, pero las descargas atmosféricas
nube a nube afectan las líneas aéreas de
distribución. Durante un tormenta, las
interrupciones de la energía son causadas por
el viento y las descargas atmosféricas.
Algunas veces se asume que interrupciones
causadas por el viento, los árboles y equipo
averiado, son generadas por descargas
atmosféricas, lo cual hará que el número de
interrupciones causadas por las descargas
atmosféricas aparezca artificialmente alto.
En la mayor parte de las regiones del mundo,
se puede obtener una indicación de la
actividad de las descargas atmosféricas a
través de los datos ceráunicos (días de
tormentas eléctricas por año). En la figura 1
se muestra el mapa de nivel isoceráunico del
mundo. El nivel ceráunico es una indicación
de la actividad regional de las descargas
atmosféricas basada en cantidades promedio
derivadas de los niveles de observación
históricamente disponibles. Datos ceráunicos
más detallados o mapas de regiones
específicas del mundo se encuentran
disponibles. Una descripción más detallada de
la actividad de las descargas atmosféricas se
puede obtener a través de los mapas de
densidad de descargas a tierra, DRT (GFD
map), los cuales son creados de información
obtenida vía sistemas de detección de rayos.
Una muestra del mapa DRT (GFD map) de
los Estados Unidos de América se muestra en
la figura 2.
Sistemas de localización de descargas y
sistemas de contadores de relámpagos han
sido desplegados en Norte América y otras
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partes del mundo. Con suficiente experiencia,
estos sistemas pueden proveer mapas
detallados de densidad de descargas a tierra.
Figura 1 – Mapa de nivel isoceráunico del mundo
Figura 2 – Mapa de densidad de descargas a tierra, mapa DRT de Estados Unidos de
América
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Los mapas DRT proveerán mucho más detalle
y seguridad que los que se han tenido
disponibles con datos de truenos. Sistemas de
localización suministran también cantidades
estimadas que son más útiles y detalladas que
los datos ceráunicos. Adicionalmente, además
de proporcionar la frecuencia de las descargas
atmosféricas, el sistema suministra también la
fecha, tiempo, localización, número de
descargas, corriente estimada del pico y
polaridad.
En algunas regiones del mundo, estos
sistemas están próximos a completar datos
suficientes (siete años como mínimo) para
fines de diseño. Los mapas de densidad de
descargas a tierra, mapas DRT (GFD maps) se
están utilizando actualmente en el diseño de
líneas de distribución, para estimar los
flameos causados por las descargas
atmosféricas y para muchos otros tipos de
análisis de descargas tipo rayo.
La confiabilidad de una línea de distribución
depende de su exposición a las descargas tipo
rayo. Para determinar la exposición, el
diseñador de la línea de distribución necesita
conocer el número anual de descargas por
unidad de área por unidad de tiempo. Esta
densidad de descargas a tierra puede
determinarse de varias maneras.
La densidad de descargas a tierra, DRT puede
estimarse del nivel ceráunico usando la
ecuación (1):
Ng = 0.04 Td 1.25 (descargas /km2/año)
Ng = 0.054 Th 1.1
(2)
El promedio estimado de la densidad de
descargas puede obtenerse directamente de
los datos de detección de rayos de la red o de
contadores de descargas. Si se dispone de
datos por suficientes años, se tiene la ventaja
de poder identificar variaciones regionales.
Las descargas atmosféricas y las tasas de
interrupciones causadas por ellas presentan
una variación considerable año tras año. La
desviación estándar histórica por año de
mediciones de actividad de descargas varía de
20% a 50% del promedio. El promedio
estimado de la DRT para regiones pequeñas
tales como 10x10 km presentan una
desviación estándar alta de 30% a 50% del
promedio. Regiones más grandes tales como
500x500 km presentan una desviación
estándar más baja de 20% a 25% del
promedio. En áreas de bajos niveles de
actividad de descargas la desviación estándar
relativa es alta.
Con estas desviaciones estándar tan altas, se
requiere de muchos años de toma de datos
para lograr un promedio estimado lo
suficientemente seguro. Esto es especialmente
cierto cuando usamos datos de descargas a
tierra para una región localizada o se estiman
las tasas de interrupciones causadas por
descargas tipo rayo en una línea de
distribución utilizando los datos de salidas
totales.
4.2. Características Eléctricas del Rayo
(1)
4.2.1. Distribuciones de la corriente pico
Donde
Td = Número de días de tormentas por año
(nivel ceráunico)
Otra forma de estimar la densidad de
descargas es a través de los registros de horas
de tormentas, como sigue:
Del amplio resumen de parámetros de
descargas atmosféricas presentado por el
Grupo de trabajo 33.01 del CIGRE (que se
muestra en la tabla 1), para una primera
descarga, la variación de la corriente pico del
rayo, Io puede aproximarse a la distribución
logarítmica normal.
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TABLA 1 - PARÁMETROS DE LA CORRIENTE DE DESCARGAS TIPO RAYO CIGRE
Parámetros de distribución normal logarítmica para descargas negativas
Primera descarga
Subsiguiente descarga
β, desviación
Parámetro
Mediana
β, desviación
Mediana
std logarítmica
FRENTE, microsegundos
td 10/90 = T 10/90/0.8
td 30/90 = T 30/90/0.6
tm = Ip/Sm
PENDIENTE, kA/microseg
Sm, Máximo
S10, al 10%
S10/90, 10-90%
S30/90, 30-90%
CORRIENTE CRESTA, kA
II, inicial
IF, final
Inicial/Final
Cola, tn, microsegundos
CARGA, QI , C
∫ ( I 2 dt ),
(kA)2
Intervalo entre descargas, mseg
std logarítmica
5.63
3.83
1.28
0.576
0.553
0.611
0.75
0.67
0.308
0.921
1.013
0.708
24.3
2.6
5
7.2
0.599
0.921
0.645
0.622
39.9
18.9
15.4
20.1
0.852
1.404
0.944
0.967
27.7
31.1
0.9
77.5
4.65
0.057
0.461
0.484
0.23
0.577
0.882
1.373
11.8
12.3
0.9
30.2
0.938
0.0055
0.53
0.53
0.207
0.933
0.882
1.366
…
…
35
1.066
Descripción de los parámetros de forma de onda (ver figura 3)
I 10
I 30
I 90
T 10/90
T 30/90
Sm
S 10
S 10/90
QI
= Intercepto en el 10% de la corriente de la onda de descarga
= Intercepto en el 30% de la corriente de la onda de descarga
= Intercepto en el 90% de la corriente de la onda de descarga
= Tiempo entre los interceptos I 10 e I 90 del frente de onda
= Tiempo entre los interceptos I 30 e I 90 del frente de onda
= Tan G, máxima rata de aumento de la corriente a lo largo del frente de onda
= Rata instantánea de aumento de corriente en I 10
= Pendiente promedio (a través de los interceptos I 10 e I 90)
S 30/90 = Pendiente promedio (a través de los interceptos I 30 e I 90)
= Carga de impulso de la corriente de la onda de descarga
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A fin de manejar la distribución probabilística
de los valores pico de corriente en una forma
simple, se adopta la siguiente expresión:
1
P(Io ≥ io) = ------------------1 + (Io/31) 2.6
distancia de la línea de distribución a puntos
de resguardo tales como árboles y edificios
tendrá influencia en el comportamiento de la
línea ante las descargas tipo rayo.
(3)
La ecuación (3) muestra la probabilidad de la
corriente pico del rayo Io, debe ser igual o
mayor que un valor dado de io [kA].
5.
COMPORTAMIENTO
DE
LÍNEAS
AÉREAS
DISTRIBUCIÓN
ANTE
DESCARGAS TIPO RAYO
LAS
DE
LAS
Esta sección describe como se estima el
número de flameos directos e inducidos para
circuitos de distribución. Las descargas tipo
rayo pueden explicar muchas de las
interrupciones de energía en las líneas de
distribución. Dichas descargas pueden causar
flameos por:
a) Descargas directas
b) Tensiones inducidas por descargas
cercanas
Las descargas directas sobre líneas de
distribución de energía generan flameo del
aislamiento en la mayoría de los casos. Por
ejemplo, un rayo tan pequeño como de 10 kA
podría producir una sobretensión de cerca de
2000 kV, la cual está excesivamente distante
de los niveles de sobretensión de líneas que
operan hasta 69 kV. Sin embargo, la
experiencia y las observaciones muestran que
muchas de las salidas relacionadas con las
descargas tipo rayo de las líneas de bajo
aislamiento son ocasionadas por rayos que
chocan con tierra en las proximidades de la
línea. Muchas de las tensiones inducidas por
rayos en líneas de distribución que terminan
cerca de la línea son inferiores a 300 kV. Los
rayos pueden ser recolectados por objetos
muy altos, de tal modo que la altura y la
Figura 3 – Descripción de los parámetros
de las ondas tipo rayo
5.1. Descargas tipo rayo en líneas aéreas
5.1.1. Altura de la estructura
Las descargas atmosféricas pueden tener un
efecto muy significativo en la confiabilidad de
una línea, especialmente si sus postes son más
altos que el medio que la rodea. Muchos rayos
son recolectados por las estructuras más altas.
La rata de recolección de rayos N, en campo
abierto (sin árboles o edificios en la cercanía),
es estimada de acuerdo a la ecuación de
Eriksson.
28 h 0.6 + b
N = Ng ( ------------------ )
10
(4)
Donde:
h = Altura del poste (m)
b = Ancho de la estructura (m)
Ng = Densidad de descargas (rayos/km2/año)
N = Rayos/100km/año
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Para la mayoría de las líneas de distribución
el factor b, ancho de la estructura, es
despreciable.
De la ecuación (4), si la altura del poste se
aumenta un 20%, la rata de rayos a la línea de
distribución se incrementará en un 12%.
Nótese que una línea de distribución puede
recolectar muchos más rayos de los que se
hubieran podido predecir en el modelo 4xH,
el cual fue utilizado durante varios años. En el
modelo 4xH, el número de rayos recolectado
por la línea de distribución fue estimado por
un ancho de dos veces la altura de la línea , en
ambos lados de la línea.
La exposición de la línea de distribución a las
descargas tipo rayo depende de qué tanto
sobresalen las estructuras por encima del
terreno aledaño. Estructuras localizadas en lo
alto de las montañas, cordilleras o cerros
serán más vulnerables a las descargas tipo
rayo que aquellas protegidas por medios
naturales.
5.1.2. Protecciones
por
estructuras cercanas
árboles
y
Árboles y edificios pueden jugar un papel
preponderante en el comportamiento de las
líneas de distribución a las descargas
atmosféricas. Los árboles y los edificios
pueden interceptar muchas descargas tipo
rayo que de otra manera pudieran caer sobre
la línea. El factor de protección Sf, se define
como la porción por unidad de una línea de
distribución protegida por objetos cercanos.
El número de descargas a la línea es entonces
Ns = N(1 – Sf)
(5)
Un factor de protección de 0.0 significa que la
línea de distribución está en campo abierto y
que no dispone de objetos para protecciones
en las cercanías, y un factor de 1.0 significa
que la línea de distribución está
completamente protegida contra descargas
directas tipo rayo.
La figura 4 muestra los medios para
aproximarse a los factores de protección con
objetos de varias alturas, para una línea de
distribución de 10 metros de altura. Se asume
que los objetos están en una línea uniforme y
paralela a la línea de distribución. Se podría
representar como una hilera de árboles o
edificios paralela a la línea de distribución.
Figura 4 – Factores de protección por
cercanía de objetos de diferentes alturas
para una línea de distribución de 10
metros de altura
La figura 4 puede utilizarse también para
objetos que están ubicados en ambos lados de
la línea de distribución si se suman los
factores de protección para los lados derecho
e izquierdo (si la suma de los factores de
protección es mayor de uno, entonces el factor
total de protección es igual a uno). Como un
ejemplo, consideremos una línea aérea de
distribución de 10 metros de altura con las
siguientes filas de edificios en cada lado:
a) Una fila de edificios de 7.5 m de altura,
30 m a la izquierda de la línea de
distribución (Sf=0.23)
b) Una fila de 15 m de altura, 40 m a la
derecha de la línea de distribución (Sf =
0.4)
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Si la densidad de descargas a tierra DRT, es
de 1 descarga/km2/año, el número de rayos
directos sobre la línea aérea de distribución en
campo abierto sería de 11.15 descargas/100
km/año, [de la ecuación (4)]. Con las filas de
edificios se podría reducir a
Ns = N(1-(Sfizquierdo + Sfderecho)
= 11.15 [1 – (0.23 + 0.4)]
= 4.12 descargas/100 km/año
(6)
A menos que el aislamiento de la línea de
distribución esté protegido con cable de
guarda o con pararrayos, todas las descargas
directas tipo rayo causarán flameo sin
considerar el nivel de aislamiento, el
espaciamiento entre conductores o las puestas
a tierra. Por lo tanto, para estimar el número
de flameos debidos a descargas directas tipo
rayo, usamos la ecuación (4) para una línea de
distribución en campo abierto, o las
ecuaciones (4) y (5) para una línea
parcialmente protegida. Se asume que todos
los flameos causarán fallas en los circuitos de
distribución (ver 5.4).
5.2. Flameos por tensiones inducidas
De acuerdo a Rusck, la máxima tensión que
puede ser inducida en una línea de energía en
el punto más cercano al rayo puede estimarse
por:
Io ha
Vmax = 38.8 -------y
(7)
Donde:
Io:
es la corriente pico de la descarga.
Ha:
es la altura promedio de la línea sobre
el nivel de tierra.
y:
y
es la distancia más corta entre la línea
la descarga tipo rayo.
La ecuación (7) es utilizada para un conductor
simple, infinitamente largo sobre una tierra
perfectamente conductora. Un cable neutro a
tierra o un cable protegido en la parte alta
reducirá la tensión a través del aislamiento
por un factor que depende de las puestas a
tierra y de la proximidad del cable de tierra a
las fases conductoras. Este factor varía
típicamente entre 0.6 y 0.9.
La frecuencia de flameo por las tensiones
inducidas puede aumentarse dramáticamente
para los bajos niveles de aislamiento. La
figura 5 presenta la frecuencia de flameo
como una función del voltaje de flameo de
impulso crítico VFIC, (CFO) de la línea. La
figura 5 muestra resultados para dos
configuraciones de puestas a tierra. El
circuito sin conexión a tierra no dispone de
cable de neutro a tierra ni del cable protegido,
tal como ocurre con el circuito de tres líneas
sin puesta a tierra o el de cuatro líneas con
una puesta a tierra. Los resultados para un
circuito con puestas a tierra son los de un
circuito con un cable neutro a tierra o un cable
protegido en la parte alta. El circuito con
puestas a tierra presenta muy pocos flameos
para un VFIC dado debido a que el cable de
puesta a tierra reduce el esfuerzo de la tensión
a través del aislamiento. Las disposiciones de
los circuitos sin conexión a tierra o con una
puesta a tierra, sin embargo, pueden presentar
mayores tendencias a presentar voltajes de
flameo fase a tierra más altos que una
disposición de circuito equivalente con
multipuestas a tierra, debido a la falta del
cable de neutro a tierra. Los valores están
normalizados para una densidad de descargas,
DRT (GFD) de una descarga /km2/año y una
altura de la línea de distribución de 10 m. Los
resultados se pueden escalar linealmente con
respecto a la longitud y el DRT (GFD).
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Figura 5 – Número de flameos de tensiones inducidas versus nivel de aislamiento de la línea
de distribución, voltaje de flameo de impulso crítico, VFIC en kV
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Los resultados mostrados en la figura 5 son
para una línea de distribución en campo
abierto sin edificios y sin árboles en la
cercanía. El número de flameos inducidos
depende de la presencia de objetos cercanos
que puedan proteger la línea de descargas
directas. Esto puede incrementar los flameos
por voltajes inducidos debido a que ocurren
muchas descargas en las áreas cercanas.
Como un punto de referencia, una línea de
distribución en campo abierto con una altura
de 10 metros y con una densidad de descargas
a tierra, DRT de 1 descarga/km2/año tendrá
aproximadamente 11 descargas /100 km/año
debidas a descargas directas, utilizando la
ecuación (4). En campo abierto, las tensiones
inducidas serán un problema solamente para
líneas con muy bajos niveles de aislamiento.
Por ejemplo, el número de flameos por
tensiones inducidas excederá el número de
flameos por descargas directas para un
circuito sin puestas a tierra solamente si el
voltaje de flameo de impulso crítico VFIC
(CFO) es inferior a 75 kV (de la figura 5). En
áreas protegidas, los flameos generados por
tensiones inducidas son los de mayor
preocupación. Típicamente, una suposición
que se utiliza para líneas de distribución es
que si el voltaje de flameo de impulso crítico
es mayor o igual a 300 kV los flameos por
tensiones inducidas serán eliminados. Casi
todas las mediciones de tensiones inducidas
han sido inferiores a 300 kV, y la figura 5
indica que una línea con voltaje de flameo de
impulso crítico mayor de 300 kV tendrá muy
pocos flameos generados por tensiones
inducidas.
tensiones inducidas (ver 7.2). Sin embargo,
esta reducción puede llegar a ser pequeña en
centros rurales y suburbanos.
6.
NIVEL DE AISLAMIENTO DE LA
LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN
Esta guía de diseño pretende ayudar al
ingeniero de diseño del sistema de
distribución a optimizar las capacidades de
los aislantes ante las descargas tipo rayo en
las líneas aéreas de distribución. Muchas de
las construcciones aéreas utilizan más de un
material aislante para protección contra las
descargas atmosféricas.
(*) REFERENCIAS:
IEEE StdC62.22-1991, IEEE Guide for the
Application of Metal-Oxide Surge Arresters
for Alternating Current Systems (ANSI).
_____________________________________
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suscribir a un colega, solicitar ediciones
anteriores, o borrarse de la lista de
distribución envíenos un mensaje a:
[email protected]
Atn. Ing. Claudia Arango B.
Otro factor a considerar es que la mayoría de
las
líneas
de
distribución
tienen
transformadores de distribución protegidos
con pararrayos, los cuales proveen algún
grado de reducción de los flameos por
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T
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O
Electroporcelana GAMMA
S.A.
Empresa de la Organización Corona
Boletín No. 44, Abril – Junio 2002
GUÍA PARA MEJORAR EL COMPORTAMIENTO BAJO
DESCARGAS TIPO RAYO DE LAS LÍNEAS AÉREAS
DE DISTRIBUCIÓN ELÉCTRICA
Norma IEEE std 1410
Versión al español por el Ing. Adolfo Cano Hencker
SEGUNDA PARTE
6. NIVEL DE AISLAMIENTO DE LA
LÍNEA DE DISTRIBUCIÓN
Esta guía pretende ayudar al ingeniero de
diseño a optimizar la capacidad de los
aislantes ante las descargas tipo rayo en las
líneas aéreas de distribución.
Muchas de las construcciones aéreas utilizan
más de un material aislante para protección
contra las descargas atmosféricas. Los
componentes más comunes utilizados en la
construcción de líneas aéreas de distribución
son porcelana, aire, madera, polímero y fibra
de vidrio. Cada elemento tiene su propia
capacidad de aislamiento. Cuando los
materiales aislantes se utilizan en serie el
nivel de aislamiento resultante no es la suma
de los niveles asociados con los componentes
individuales, sino que es algo menos que
dicho valor.
Los siguientes factores afectan los niveles de
flameo ante descargas tipo rayo de líneas de
distribución y dificultan estimar el nivel de
aislamiento total:
a)
Condiciones atmosféricas tales como
densidad
del
aire,
humedad,
b)
c)
precipitación pluvial y contaminación
atmosférica.
Polaridad y velocidad de incremento de
tensión.
Factores físicos tales como forma del
aislador, forma del herraje metálico, y
configuración del aislador (montado
verticalmente, horizontalmente o en
ángulo).
Si existe madera en la trayectoria de descarga
del rayo, el efecto del rayo sobre la capacidad
de aislamiento puede ser muy variable
dependiendo principalmente de la humedad
en la superficie de la madera. La capacidad de
aislamiento depende en un menor grado de las
dimensiones físicas de la madera.
Aunque el ingeniero de diseño deba estar más
familiarizado con el nivel básico de
aislamiento, NBA (BIL), de una combinación
dada de materiales aislantes, los resultados de
esta guía están dados en términos del voltaje
de flameo de impulso crítico, VFIC (CFO), de
estas combinaciones. El voltaje de flameo de
impulso crítico se define como el nivel de
tensión al cual estadísticamente existe el 50%
de probabilidad de flameo. Este valor es un
punto definible en el laboratorio. Si se asume
que los datos de flameo presentan una
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distribución de Gauss, entonces cualquier
probabilidad específica de no flameo puede
calcularse a partir del voltaje de flameo de
impulso crítico y de la desviación estándar.
Una vez que se tuvieron disponibles todos los
datos de laboratorio, se estudiaron varios
métodos tratando de desarrollar un
procedimiento para determinar el voltaje de
flameo de impulso crítico esperado, VFIC
(CFO), de una combinación de componentes
dados. La aproximación de “capacidad de
aislamiento - aditiva” puede ser la más
práctica.
Este método fue adoptado de un
procedimiento similar utilizado anteriormente
en el diseño de líneas de transmisión pero ha
sido ampliado en su aplicación a múltiples
componentes aislantes usados en la
construcción de líneas de distribución. El
método utiliza el voltaje de flameo de impulso
crítico, VFIC, del elemento aislante básico o
primario y agrega a este valor los incrementos
en VFIC ofrecidos por los componentes
adicionados, (teniendo siempre presente que
la capacidad de aislamiento aditiva es siempre
menor que la de un elemento simple
adicionado).
6.1. Voltaje de flameo de impulso crítico,
VFIC, de un aislamiento combinado
Desde tiempos lejanos los ingenieros
electricistas han estado construyendo líneas
de distribución utilizando crucetas y postes de
madera en serie con aisladores básicos para
aumentar la resistencia al impulso tipo rayo
del aislamiento de la línea de distribución. A
comienzos de 1930, se presentaron una gran
cantidad de documentos donde los aisladores
fueron ensayados en combinación con
madera. Apareció una pregunta acerca de
cuanto voltaje de aislamiento ante descargas
tipo rayo agregaba la madera al aislamiento
primario (el aislador). Una respuesta parcial
llegó después de investigaciones en muchos
laboratorios, y los resultados fueron
publicados en las décadas de 1940 y 1950
[B12]. Un resumen general de los trabajos
previos sobre voltaje de flameo de impulso
crítico, VFIC, fue presentado en el Reporte
del Comité de AIEE de 1950 y en un nuevo
reporte en 1956, sin embargo, estos resultados
tenían aplicación principalmente en líneas de
transmisión y no en la construcción de líneas
de distribución. En las líneas aéreas de
distribución, el aislamiento más débil está
generalmente en una estructura del poste más
que entre conductores a través del aire.
Más recientemente, las investigaciones sobre
combinaciones de multi - dieléctricos
utilizados en sistemas de energía eléctrica han
continuado, estas investigaciones tienen que
ver con líneas de distribución y de
transmisión y los niveles de voltaje que
soporta la madera cuando se somete a
impulsos tipo rayo, tipo maniobra y frente de
onda escarpado. Últimamente, han sido
introducidos a las líneas de distribución
aisladores poliméricos y crucetas de fibra de
vidrio.
6.2. Determinación
del
VFIC
de
estructuras con aislamiento en serie
Los estudios han indicado que un (1) metro de
madera o de fibra de vidrio agregan
aproximadamente 330 – 500 kV a la
resistencia al impulso del aislamiento total.
Para longitudes superiores, la capacidad de
aislamiento tipo rayo de la cruceta de madera
o de fibra de vidrio y la combinación con el
aislador están determinadas principalmente
por la sola cruceta de madera o de fibra de
vidrio. El aislamiento de voltaje alterno se
obtiene para el aislador solo y la cruceta de
madera o de fibra de vidrio se considera como
aislamiento adicional para voltaje de descarga
tipo rayo.
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Cuando la trayectoria de descarga tipo rayo a
tierra no incluye una cruceta de madera o de
fibra de vidrio, pero envuelve dos o más tipos
de aisladores en serie, el VFIC de la
combinación no se obtiene simplemente
sumando los VFIC individuales de los
componentes. Los VFIC de estos aislamientos
combinados son controlados por un número
de factores diferentes, cada uno de los cuales
requiere un análisis individual. Hoy en día,
existen muchas diferentes combinaciones y
configuraciones utilizadas por las compañías
operadoras.
dos componentes se calcula como el VFIC del
componente básico más el VFIC adicionado
por el segundo componente.
El VFIC total calculado para dos
componentes es:
El método del VFIC – aditivo extendido
puede usarse para estimar el VFIC de una
estructura de distribución:
VFICadic.2°comp
a)
El VFIC total calculado para tres o más
componentes es:
b)
Determinando la contribución de cada
componente individual del aislamiento al
VFIC total de la combinación.
Estimando el VFIC total de la
combinación, conociendo el VFIC de los
componentes aislantes.
Esto puede hacerse utilizando tablas y curvas
que muestren los datos experimentales
disponibles y utilizando estos datos para
relacionar el efecto de un material adicionado
a otro. Este procedimiento considera válidos
los datos característicos del VFIC del
aislamiento base y un grupo adicional de
datos dados como el VFIC adicionado por un
componente específico.
En aquellas configuraciones en las cuales
aparecen dos componentes, el VFIC de la
combinación es mucho más bajo que la suma
de los VFIC individuales. El aislador se
considera como el aislamiento primario o
aislamiento básico.
VFICT = VFIC aislador + VFICadic.2°comp
(8)
Donde:
VFIC aislador
=
VFIC del componente primario
=
VFIC adicionado por el
segundo componente
VFICT = VFIC aisl + VFICadic.2°comp +
VFICadic.3°comp + VFICadic.n°comp (9)
Donde:
VFICadic.3°comp
=
VFICadic.n°comp
=
VFIC adicionado por el
tercer componente
VFIC adicionado por el
enésimo componente
Los valores de VFIC individual y el
adicionado de los componentes más utilizados
en distribución están dados en las tablas 2 a 4.
El voltaje de flameo de impulso crítico, VFIC,
obtenido por configuraciones consistentes de
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TABLA 2 - VFIC del aislamiento primario (aislador)
Aisladores
ANSI 55-4
ANSI 55-5
ANSI 55-6
Porcelana
1 . 10.2 cm (4")
tipo suspensión
2. 10.2 cm (4")
3. 10.2 cm (4")
Aislamiento
Aire
Poste de madera
Cruceta de madera
Poste integral de fibra de vidrio
Tipo Espiga
kV
105
120
140
75
165
250
kV/m
600
330
360
500
TABLA 3 - VFIC adicionado a segundos componentes (VFIC ad. 2° comp)
Segundo componente
Cruceta de madera
Cruceta de madera
Cruceta de madera
Poste de madera
Poste de madera
Cruceta de fibra de vidrio
Poste integral de fibra de
vidrio
Con primer componente de
Aislador tipo pin vertical
Aislador de suspensión vertical
Aislador de suspensión
horizontal
Aislador tipo pin vertical
Aislador tipo suspensión
Aislador
Aislador
kV/m
250
160
295
235
90
250
315
TABLA 4 - VFIC adicionado a terceros componentes (VFIC ad. 3° comp)
Poste de madera
Poste integral de fibra de
vidrio
kV/m
65
200
Notas (para tablas 2 - 4)
1- Todos los valores son para VFIC en húmedo.
2- Los valores corresponden a los mínimos de polaridad positiva o negativa.
3- Los aisladores se muestran como ejemplo solamente. Para valores más
exactos refiérase a los datos del fabricante.
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Los valores dados en las tablas se refieren a
condiciones húmedas las cuales son
recomendadas para estimar el valor de VFIC.
Para valores de VFIC bajo condiciones secas
suministradas por el fabricante o tomadas de
pruebas de impulso de un laboratorio,
multiplique el VFIC por 0.8 para obtener un
valor estimado del VFIC en condiciones
húmedas. El VFIC en condición húmeda está
típicamente entre 0.7 y 0.9 del VFIC en
condiciones secas.
Para componentes no dados en la tabla 3 o en
la tabla 4, el VFIC total puede ser estimado
por reducciones para el segundo y tercer
componente como:
VFICadic.2°comp
=
0.45 VFICaislador
VFICadic.3°comp
=
0.20 VFICaislador
El uso del método del VFIC - aditivo
extendido y las tablas dadas en esta guía
darán respuesta generalmente dentro de un ±
20% de error. Estimaciones más seguras se
logran con los siguientes métodos:
a) Efectuar pruebas de impulso en el
laboratorio de la estructura en estudio,
bajo condiciones húmedas. Este método
dará los resultados más seguros.
b) Efectuar pruebas de impulso bajo
condiciones secas y multiplicar los
valores obtenidos por 0.8 para estimar el
VFIC en condiciones húmedas.
6.3. Consideraciones prácticas
El equipo y el conjunto de accesorios
metálicos de las estructuras de distribución
puede reducir drásticamente el VFIC. Este
punto débil de las estructuras puede aumentar
en gran parte los flameos por tensiones
inducidas. Varias situaciones se describen a
continuación.
Cables tensores. Los cables tensores pueden
ser un factor importante en la reducción del
VFIC de la estructura. Por ventaja mecánica,
los cables tensores están conectados en la
parte alta del poste, en general en la vecindad
de los elementos aislantes principales. Puesto
que los cables tensores proveen una
trayectoria a tierra, su presencia generalmente
reduce el VFIC de la configuración. Los
pequeños aisladores de porcelana tipo tensor
que se utilizan proveen muy poco de extraaislamiento, (generalmente menos de 30 kV
de VFIC).
Puede utilizarse entonces un aislador tensor
de fibra de vidrio para ganar una considerable
capacidad de aislamiento. Un aislador tensor
de fibra de vidrio tiene un VFIC de 250 kV
aproximadamente.
Fusibles cortacircuitos. El montaje de los
fusibles cortacircuitos es un ejemplo primario
de un equipo desprotegido que puede
disminuir el VFIC del poste. Para sistemas de
la clase 15 kV, un fusible cortacircuitos puede
tener un nivel básico de aislamiento, NBA
(BIL), de 95 kV. Dependiendo de cómo esté
montado el cortacircuitos, el puede reducir el
VFIC de toda la estructura hasta
aproximadamente 95 kV, (aproximadamente
porque el nivel básico de aislamiento, NBA
(BIL), de cualquier sistema aislante es
siempre menor que el VFIC de dicho
sistema).
En postes de madera, el problema de los
fusibles cortacircuitos puede ser mejorado
colocando los cortacircuitos de tal manera que
el brazo de montaje en el poste esté bien
alejado de cualquier conductor conectado a
tierra, (cables tensores, cables de guarda y
cables de neutro). Esto también es válido para
interruptores y otras piezas de equipo no
protegidas por los pararrayos.
Altura del cable de neutro. En cualquier línea
dada, la altura del cable de neutro puede
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variar dependiendo del equipo conectado. En
postes de madera, mientras más cerca está el
cable de neutro de los cables de fase, menor el
VFIC.
Soportes y estructuras conductoras. El uso de
estructuras de concreto y de acero en líneas
aéreas de distribución está en aumento, lo
cual reduce enormemente el VFIC, además,
crucetas metálicas y conjuntos de accesorios
metálicos se están utilizando en postes de
madera. Si tales elementos metálicos están
conectados a tierra, el efecto puede ser el
mismo que el de tener una estructura metálica.
En tales estructuras, el VFIC total es
suministrado por el aislador y por lo tanto,
aisladores con mayor VFIC deberán ser
utilizados para compensar las pérdidas del
aislamiento de la madera. Obviamente, se
efectúan
cambios
dependiendo
del
comportamiento esperado a las descargas tipo
rayo y otras consideraciones tales como
diseño mecánico y económico. Pero es muy
importante saber que dichos cambios existen.
El diseñador deberá estar enterado de los
efectos negativos que los elementos metálicos
puedan tener en el comportamiento a las
descargas tipo rayo y tratar de minimizar
dichos efectos. En configuraciones con postes
de madera y crucetas, pueden utilizarse brazos
de madera o de fibra de vidrio para mantener
buenos niveles de aislamiento.
Circuitos múltiples. Los circuitos múltiples en
un poste causan generalmente un aislamiento
reducido ya que se tienen distancias más
estrechas entre fases y menos madera en serie.
Esto es especialmente cierto en circuitos de
distribución en postes de madera construidos
por debajo de circuitos de transmisión. Los
circuitos
de
transmisión
tienen
frecuentemente un cable de protección con
una línea de tierra en cada poste. La línea de
tierra puede causar reducción en el
aislamiento. Pero este puede mejorarse
alejando la línea de tierra del poste con
espaciadores de fibra de vidrio.
Circuitos con espaciadores de cable.
Circuitos con espaciadores de cable son
circuitos aéreos de distribución con
espaciamientos muy reducidos. Cable
cubierto y espaciadores, (15 a 40 cm),
colgados de un cable mensajero proveen
soporte y capacidad de aislamiento. Una
configuración de espaciador de cable tendrá
un VFIC fijo, generalmente en el rango de
150 – 200 kV. Debido a su relativamente bajo
nivel de aislamiento, su comportamiento ante
las descargas tipo rayo puede ser más bajo
que el más tradicional diseño abierto. Es muy
poco lo que se puede hacer para incrementar
el VFIC de un diseño con espaciador de cable.
Un diseño con espaciador de cable tiene la
ventaja de un cable mensajero que actúa como
un cable de protección. Este puede reducir
algunos flameos por descargas directas.
Flameos inversos ocurrirán debido al bajo
nivel de aislamiento. Si se mejoran las puestas
a tierra se mejora el comportamiento contra
las descargas tipo rayo.
Distancias explosivas (spark gaps) y unión de
aislamientos. La unión de aisladores se
efectúa algunas veces para prevenir el daño
causado por la descarga tipo rayo en los
postes o crucetas de madera, o también se
hace para prevenir la quema de la parte
superior del poste de madera. Las distancias
explosivas son utilizadas para prevenir el
daño causado por las descargas tipo rayo en
los materiales de madera, (este incluye los
ensambles para protección de postes
especificados por la REA). En algunas partes
del mundo, las distancias explosivas (spark
gaps) son utilizadas en lugar de los pararrayos
para protección del equipo.
Las distancias explosivas y unión de
aisladores reducirán enormemente el VFIC de
la estructura. De ser posible, distancias
explosivas, unión de aisladores, y ensambles
para protección de postes no deberían ser
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utilizados para prevenir daño de la madera.
Las uniones locales de aislador – madera en la
base del aislador son una mejor solución para
evitar daños en la madera y quema de postes
como se discute en el numeral 6.5.
Esto puede lograrse fácilmente en circuitos
con altos niveles de aislamiento y grandes
distancias de madera. Para esta guía, se ha
hecho una suposición conservadora que todos
los flameos causan fallas.
6.4. Capacidad de la madera de sofocar el
arco
Los postes y crucetas de madera han
demostrado capacidad de sofocar el arco
causado por las descargas tipo rayo y prevenir
la formación de una falla de energía.
La capacidad de la madera para sofocar el
arco es predominantemente una función de la
tensión instantánea a través del arco en el
instante del flameo causado por la descarga
tipo rayo. Si el voltaje está cruzando cerca de
cero, es mucho más fácil que se extinga el
arco sin causar una falla. Si el voltaje nominal
a lo largo de la cruceta de madera se mantiene
por debajo de un cierto nivel, la posibilidad de
que se desarrolle la falla puede ser reducida
enormemente.
Si ocurren flameos múltiples, la extinción del
arco es mucho menos probable (ver figura 6).
La mayor parte de las líneas de distribución
soportarán flameos múltiples de una descarga
directa. En estructuras de distribución que
tienen gradientes de voltaje RMS a través de
la madera mayores de 10 kV/m de madera, la
extinción del arco puede que no proporcione
un beneficio significativo. Por ejemplo, una
línea de distribución de 13.2 kV con 0.5 m de
madera entre el aislador de fase y el cable de
neutro tiene un gradiente de voltaje RMS a
través de la madera de 132kV/3/0.5m = 15.2
kV/m. Para este voltaje, si los espaciamientos
de madera de 1 m se logran entre todas las
fases conductoras y todos los objetos con
puestas a tierra en el poste, entonces la
extinción del arco es un factor significativo.
Figura 6 – Probabilidad de un arco de
potencia debido a un flameo por descarga
tipo rayo sobre una cruceta de madera
húmeda
6.5. Daño de la madera causada por
descargas tipo rayo
La experiencia de servicio indica que el daño
a postes o crucetas debido a las descargas tipo
rayo es relativamente escaso. No obstante, en
áreas de alto nivel de descargas atmosféricas
puede ser de importancia bajo ciertas
condiciones. La probabilidad de daños debida
a descargas tipo rayo depende de muchos
factores, especialmente al contenido de
humedad y al envejecimiento de la madera.
Cuando la falla es interna en la madera y no
en la superficie de la misma ocurren
disrrupciones de tipo destructivo. Si la madera
está verde, lo más probable es que la falla sea
interna.
Si los registros históricos muestran que el
daño de la madera es un problema, la madera
deberá protegerse por unión de aisladores. Sin
embargo, esto cortocircuita la capacidad de
aislamiento que provee la madera. Una mejor
solución puede ser el uso de electrodos
superficiales fijados cerca al aislador de pin.
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Esto puede incluir alambre enrollado, bandas,
u otras extensiones metálicas colocadas cerca
al aislador en la probable dirección del
flameo. Esto favorece la falla cerca de la
superficie en lugar de la falla interna.
Medidas preventivas para daños a la madera
por descargas tipo rayo reducirán también la
probabilidad de quemas en la parte superior
de los postes. Quemas en la parte superior de
los postes son el resultado de arcos de
corrientes de fuga en la superficie de
separación metal - madera [B42, B15]. Unión
local, utilizando bandas o alambre enrollado,
servirán de puente en aquellos puntos en los
cuales la chispa está más propicia a iniciarse
por los pobres contactos metal – madera. Esto
es preferible a unir completamente los
aisladores (ver 6.3, último párrafo).
7. PROTECCIÓN
GUARDA
DE
DISTRIBUCIÓN
CON CABLE
LÍNEAS
DE
DE
Los cables de guarda son conductores
conectados a tierra y colocados sobre los
conductores de fase para interceptar las
descargas tipo rayo las cuales podrían caer
directamente sobre las fases. La corriente de
la descarga tipo rayo es desviada a tierra a
través de una línea de tierra en el poste. Para
que sea efectivo, el cable de guarda deberá
tener su puesta a tierra en cada poste.
La corriente de la onda de descarga tipo rayo
que fluye a través de la impedancia a tierra
del poste causa un aumento de potencial que
da como resultado una gran diferencia de
potencial entre la línea de tierra y los
conductores de fase. La diferencia de
potencial puede generar un flameo inverso a
través del aislamiento de la línea de tierra a
uno de los conductores de fase.
El fenómeno del flameo inverso es una
exigencia sustancial para la efectividad del
cable de guarda en aplicaciones de la línea de
distribución. Los cables de guarda proveerán
una protección efectiva solamente si:
a) Se utilizan buenas prácticas de diseño del
aislamiento para proveer suficiente VFIC
entre la línea de tierra y los conductores
de fase.
b) Se obtienen bajas resistencias a tierra en el
poste.
La figura 5 puede ser usada para estimar el
número de flameos inducidos para un diseño
de cable de guarda. Para circuitos de
distribución de tres fases, agregar el cable de
guarda reducirá el número de flameos
inducidos. Puesto que el cable de guarda está
sólidamente puesto a tierra, eliminará los
voltajes en los conductores de fase a través
del acople capacitivo. Mientras más cercanos
estén los conductores de fase del cable de
guarda, mejor el acople y mucho más bajos
serán los voltajes inducidos, (aunque esto
puede reducir el VFIC como se anotó en el
numeral 6.3). Observe que adicionar un cable
de guarda por debajo de los conductores de
fase tendrá aproximadamente el mismo efecto
que un cable de guarda por encima.
En un sistema de cuatro cables, con múltiples
puestas a tierra, reemplazar el cable del neutro
con un cable de guarda por encima, no
reducirá el número de flameos inducidos. Sin
embargo, teniendo ambos, un cable de guarda
y un cable de neutro mejorará en algún grado
su comportamiento.
El costo de incluir el cable de guarda en el
diseño de una línea de distribución puede ser
sustancial. Adicional al costo del conductor,
las varillas de tierra, y aislamiento adicional,
las alturas del poste deben ser mayores para
soportar el cable de guarda de tal manera que
exista el adecuado ángulo de apantallamiento
entre el cable de guarda y los conductores de
fase más externos. La mayor altura de la
estructura atraerá más descargas directas, y
esto compensará ligeramente algunas de las
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reducciones en las ratas de flameo generadas
por el apantallamiento. A pesar del costo y las
dificultades del diseño, los cables de guarda
han sido utilizados por varias empresas de
energía con gran éxito.
nivel de aislamiento en las líneas de
distribución.
7.1. Ángulo de apantallamiento
Para asegurar que todas las descargas tipo
rayo terminen en el cable de guarda en lugar
de que ocurra en los conductores de fase, un
ángulo de apantallamiento de 45° o menos,
(como lo muestra la figura 7), es
recomendado. Esto es válido solamente para
líneas que tengan menos de 15 m de altura
con espaciamiento entre conductores por
debajo de 2 m. Líneas más altas requieren
ángulos de apantallamiento inferiores. Ver
IEEE Std 1243–1977.
7.2. Requerimientos de aislamiento
La efectividad del cable de guarda en las
líneas de distribución depende en gran parte
del aislamiento disponible entre la línea de
tierra y los conductores de fase. Si la línea de
tierra está en contacto con el poste en toda su
altura, es difícil proveer un adecuado
aislamiento. En un poste de madera,
generalmente es necesario aislar la línea de
tierra del poste en la vecindad de los
aisladores de fase y las crucetas. Esto puede
lograrse utilizando varillas de fibra de vidrio,
o parales montados horizontalmente en el
poste para sostener el cable de guarda 30 – 60
cm alejado del poste. El VFIC de la línea de
tierra a la fase más cercana es el valor más
limitante de varias trayectorias. Se debe tener
precaución de aislar los cables tensores para
obtener el necesario VFIC.
Un VFIC en exceso de 250 – 300 kV es
necesario para tener una aplicación efectiva
de cable de guarda. Utilizando separadores
para la línea de tierra, no es difícil lograr el
Figura 7 – Ángulo de apantallamiento
del cable de guarda
7.3. Efecto de las puestas a tierra y el nivel
de aislamiento
La efectividad del cable de guarda es
altamente dependiente de las puestas a tierra.
Para que el diseño de un cable de guarda sea
efectivo, las resistencias a tierra deben ser
menores a 10 Ohmios si el VFIC es menor de
200 kV. Si se presta atención al nivel de
aislamiento y el VFIC es de 300 – 350 kV,
una resistencia de puesta a tierra de 40
Ohmios generará un comportamiento similar.
El cable de guarda deberá tener su conexión a
tierra en cada poste para resultados efectivos.
La figura 8 muestra el comportamiento ante
descargas directas y el efecto de puestas a
tierra con un ejemplo de una simulación en
computador de un cable de guarda con VFIC
de 175 kV y de 350 kV.
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estos pararrayos es de presentar altas
impedancias bajo los voltajes normales de
operación y llegar a tener muy bajas
impedancias durante las condiciones de la
descarga tipo rayo. El pararrayos conduce la
corriente a tierra mientras que está limitando
el voltaje del equipo a la suma del voltaje de
descarga
del pararrayos más el voltaje
inductivo desarrollado por la corriente de
descarga en la línea del pararrayos y en la
línea de tierra.
Figura 8 – Efecto de la resistencia de
puesta
a
tierra
sobre
el
comportamiento del diseño de cable de
guarda (descargas directas)
Las líneas de distribución construidas debajo
de estructuras de transmisión pueden ser muy
susceptibles
especialmente
a
flameos
inversos. Estructuras de mayor altura y
amplitud atraerán más descargas directas. Se
debe tener cuidado de mantener altos niveles
de aislamiento para evitar unas ratas de
flameo innecesariamente altas.
Los pararrayos pueden ser utilizados para
proteger el aislamiento de las líneas de
distribución
previniendo
flameos
e
interrupciones del circuito. Varios tipos
diferentes de pararrayos se tienen disponibles
(por ej. Carburo de silicio gapped, óxido
metálico gapped or non gapped). Desde el
punto de vista de protección del aislamiento
de una línea de distribución, todos se
comportan de manera similar. Las diferencias
en las características del voltaje de descarga
causarán solamente una pequeña diferencia en
la protección del aislamiento, puesto que
existe un margen considerable.
7.4. Cables de guarda y pararrayos
Para eliminar efectivamentee los flameos,
deberán utilizarse pararrayos en cada poste y
en cada fase conjuntamente con el cable de
guarda. Los pararrayos protegerán el
aislamiento contra flameos inversos. El cable
de guarda desviará la mayoría de la corriente
a tierra, de tal manera que los pararrayos no
estarán sometidos a una alta energía
absorbida. Los pararrayos permiten que el
diseño del cable de guarda sea menos
dependiente del nivel de aislamiento y de las
puestas a tierra.
8. PARARRAYOS PARA PROTECCIÓN
DE LÍNEAS
Los pararrayos de distribución son utilizados
eficazmente para proteger equipos tales como
transformadores y reguladores. La función de
Para la selección de la capacidad del
pararrayos, referirse a IEEE Std C62.22-1991
o a la guía de los fabricantes. Para protección
de
equipos,
(especialmente
cables
subterráneos), es necesario seleccionar un
pararrayos con el más bajo nivel de
protección posible. Sin embargo, para
protección del aislamiento de la línea esto no
es necesario puesto que el nivel de protección
del pararrayos es generalmente mucho más
bajo que el nivel de aislamiento de la línea.
Cuando
utilizamos
pararrayos
para
protección, la rata de falla de los pararrayos
adicionados deberá ser considerada junto con
la mejora en el comportamiento al flameo de
la línea obtenida por aumentar los pararrayos.
8.1. Consideraciones en la longitud del
cable de conexión del pararrayos
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El cable de conexión del pararrayos que
conecta la línea de distribución y los
terminales de puesta a tierra de los pararrayos
del equipo que ellos protegen contienen una
pequeña cantidad de inductancia inherente.
Esta inductancia puede causar L(di/dt) caídas
de voltaje que aparecen a través del cable que
conduce la corriente de la descarga tipo rayo.
Cualquier caída de voltaje a través del cable
de conexión del pararrayos se sumará al
voltaje de descarga del pararrayos. Este
aumentará el voltaje que aparece a través del
dispositivo protegido por el pararrayos.
El efecto de la longitud del cable de conexión
del pararrayos en la protección del
aislamiento de la línea de distribución no es
tan significativo como lo es con la protección
del equipo. Para equipo que está por encima
el margen es generalmente muy alto.
Igualmente, el aislamiento de la línea es
generalmente mucho mayor que el nivel
básico de aislamiento, NBA (BIL), estándar
del equipo. Por supuesto, es siempre una
buena práctica mantener los cables de la línea
de distribución del pararrayos y las puestas a
tierra tan cortas y rectas como sea posible.
Ver IEEE Std C62.22-1991 para más
información sobre longitud del cable de
conexión del pararrayos.
8.2. Flameos por descargas indirectas
Los pararrayos pueden reducir enormemente
las ratas de flameo debidas a voltajes
inducidos por descargas tipo rayo en áreas
cercanas. La figura 9 muestra los resultados
para un nivel de aislamiento de 150 kV de un
circuito sin puestas a tierra. Observe que
espaciamientos relativamente amplios entre
pararrayos pueden reducir significativamente
flameos por voltajes inducidos, (8 tramos
generan al menos 25% de reducción). En
muchos circuitos de distribución con
transformadores, los pararrayos utilizados
para proteger los transformadores pueden
proveer una protección significativa a los
flameos inducidos.
Figura 9 – Espaciamiento entre pararrayos
para flameos de voltajes inducidos
Los pararrayos pueden ser aún más efectivos
para reducir flameos inducidos si son
utilizados para proteger postes con pobres
niveles de aislamiento. Estos “mecanismos
débiles” pueden incluir cortacircuitos, postes
terminales de línea, o postes de cruce. Instalar
pararrayos en estos postes puede ser mucho
más efectivo en costos que mejorar el nivel de
aislamiento.
8.3. Flameos por descargas directas
La protección contra las descargas directas es
difícil debido a las altas corrientes de la onda
de impulso, a lo empinado de la pendiente de
incremento de tensión y al alto contenido de
energía de las descargas tipo rayo. En teoría,
los pararrayos pueden proteger eficazmente
contra descargas directas, pero ellos deben ser
utilizados en intervalos muy cortos
(virtualmente cada poste). La figura 10
muestra un estimativo para espaciamiento
entre pararrayos con el fin de proteger contra
descargas directas. El análisis en la figura 10
asume que el cable de neutro está puesto a
tierra en cada poste. El alto número de
flameos puede ser engañoso de acuerdo a la
figura 10, donde el cable de neutro no está
conectado a tierra, excepto en los postes en
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los cuales los pararrayos están aplicados a
todas las fases y el aislamiento neutro a tierra
es alto.
Figura 10 – Espaciamiento entre pararrayos
para protección contra descargas directas
8.3.1.
Protección de la fase superior con
pararrayos
Si el conductor en la parte superior está
situado de tal manera que interceptará todas
las descargas tipo rayo, se deberán colocar
pararrayos en la fase superior lo cual hace que
actúe como un cable de guarda. En esta forma
el pararrayos del la fase superior conducirá la
onda de impulso a tierra. El circuito será
protegido si la resistencia de puesta a tierra es
lo suficientemente baja y si el aislamiento de
las fases no protegidas es lo suficientemente
alto. Como un cable de guarda, se debe tener
mucho cuidado para mantener un alto nivel de
aislamiento en las fases no protegidas. Las
curvas para el cable de guarda, (ver figura 8),
pueden ser utilizadas para estimar la
efectividad del diseño del pararrayos en la
fase superior.
sufrir fallas ocasionales debido a descargas
directas. Un porcentaje importante de
descargas tipo rayo directas pueden causar
que los pararrayos absorban energía en exceso
de ambos, la capacidad publicada por el
fabricante y la onda de prueba de descarga de
4/10 microsegundos. Esto se mitiga por el
hecho que los bloques de óxidos metálicos
han demostrado tener una mayor capacidad de
absorber energía que la capacidad que se
conocía. Otro mecanismo de falla de algunos
diseños de pararrayos de óxidos metálicos es
la ocurrencia de flameos alrededor de los
bloques cuando el pararrayos está sometido a
múltiples eventos de multi – descargas. Los
flameos superficiales debidos a descargas
múltiples son mucho menos frecuentes en
pararrayos sin espacios de aire tales como los
de cubiertas poliméricas.
_____________________________________
Espere en la próxima entrega la tercera y
última parte de esta serie.
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anteriores, o borrarse de la lista de
distribución envíenos un mensaje a:
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Atn. Ing. Claudia Arango B.
8.3.2. Capacidad de los pararrayos ante
descargas directas
En aplicaciones expuestas, (por ej: una línea
de distribución en campo abierto sin cable de
guarda), los pararrayos de la clase de
distribución y de óxidos metálicos pueden
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