SEP SES TecNM INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TOLUCA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA TALLER DE INVESTIGACIÓN I PROTOCOLO DE INVESTIGACIÓN: ESTUDIO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EN LÍNEAS DE TRANSMISIÓN PRESENTAN: HERNÁNDEZ MARTÍNEZ JOSUÉ SALAYA FUENTES AHKIN ARTURO ASESOR: M. En I. Jorge Luis Aguilar Marin METEPEC, ESTADO DE MÉXICO, NOVIEMBRE DE 2023 Índice 1. Introducción ......................................................................................................................... 3 1.1 Antecedentes del problema ........................................................................................... 3 1.2 Planteamiento del problema.......................................................................................... 5 1.3 Objetivo General ........................................................................................................... 5 1.3.1 2. Objetivos Específicos ............................................................................................ 5 1.4 Justificación .................................................................................................................. 6 1.5 Marco Teórico ............................................................................................................... 7 1.6 Hipótesis ..................................................................................................................... 12 Referencias ......................................................................................................................... 15 2 1. Introducción El presente protocolo de investigación tiene como objetivo estudiar las descargas atmosféricas, tanto climatológicas como ambientales, y su impacto en las líneas de transmisión de alta tensión. Estas descargas representan un fenómeno eléctrico de gran relevancia, ya que han sido responsables de más del 80% de las fallas en los sistemas de transmisión de energía eléctrica [1]. El estudio de las descargas atmosféricas y su relación con las líneas de transmisión es fundamental para garantizar la estabilidad de la red eléctrica y prevenir daños en la infraestructura. Para ello, se analizarán diferentes aspectos, como los efectos de reflexión y refracción que ocurren cuando una descarga atmosférica impacta en las líneas de transmisión. Además, se investigarán esquemas adaptativos de reconexión automática, que permiten bloquear la reconexión de una línea en caso de una falla permanente no despejada, evitando así posibles daños en la red eléctrica [2]. Estos esquemas son indispensables para el funcionamiento óptimo y robusto de una red eléctrica bajo diversas circunstancias de falla. También se abordará el estudio de la susceptibilidad de riesgo por tormentas geomagnéticas sobre las redes de alta tensión, un tema de interés científico a nivel internacional. Aunque los avances en investigación sobre este tema en América Latina son aún insuficientes, se espera que este estudio aporte al conocimiento desde el punto de vista teórico y contribuya a la gestión del sistema de transmisión [3]. El desarrollo de la investigación busca generar conocimiento y desarrollo tecnológico en el campo de la Ingeniería Eléctrica, con el fin de comprender mejor los fenómenos de descargas atmosféricas y su impacto en las líneas de alta tensión, y así contribuir a la mejora de la estabilidad y eficiencia de los sistemas de transmisión de energía eléctrica [4, 5, 6]. 1.1 Antecedentes del problema El estudio de descargas atmosféricas en líneas de alta tensión es un tema de gran importancia en la industria eléctrica y la gestión de la infraestructura energética. Antes de abordar los antecedentes del problema, es importante comprender la naturaleza del problema en sí mismo. 3 Las descargas atmosféricas, comúnmente conocidas como rayos, representan un peligro significativo para las líneas de alta tensión y las subestaciones eléctricas. Cuando un rayo impacta una línea de transmisión, puede causar daños severos, interrupciones en el suministro de energía, y en algunos casos, incendios forestales. Además, las sobretensiones inducidas por rayos pueden dañar equipos eléctricos y causar costosos tiempos de inactividad en la red eléctrica [7]. A continuación, se presentan algunos ejemplos notables de incidentes que involucran descargas atmosféricas en líneas de alta tensión: Apagón en el Nordeste de los Estados Unidos y Canadá (2003): En agosto de 2003, una serie de descargas atmosféricas provocaron un apagón masivo que afectó a más de 50 millones de personas en el noreste de los Estados Unidos y partes de Canadá. El apagón, que duró varias horas, fue causado por una combinación de eventos, incluida la caída de líneas de alta tensión debido a árboles derribados por el viento después de las descargas [8]. Incidente en la Central Nuclear de Fukushima Daiichi (2011): El terremoto y el tsunami que azotaron Japón en marzo de 2011 también causaron un incidente en la Central Nuclear de Fukushima Daiichi. Si bien el terremoto y el tsunami fueron los eventos principales, las descargas atmosféricas posteriores en la región agregaron complicaciones a la situación, incluido el daño a la infraestructura eléctrica que alimentaba la refrigeración de los reactores [9]. Apagón en India (2012): En julio de 2012, un apagón masivo afectó a más de 600 millones de personas en el norte de India. Si bien la causa principal fue un fallo en el sistema de transmisión, se informó que las descargas atmosféricas contribuyeron a la interrupción al dañar las líneas de alta tensión [10]. Incidentes forestales provocados por rayos: En muchas áreas propensas a tormentas eléctricas, las descargas atmosféricas pueden iniciar incendios forestales al impactar árboles, arbustos o el suelo seco. Estos incendios pueden dañar líneas de alta tensión y subestaciones eléctricas, lo que a su vez causa interrupciones en el suministro de energía. Estos incidentes resaltan la importancia de la protección adecuada contra descargas atmosféricas en líneas de alta tensión y la necesidad de una infraestructura eléctrica robusta y resistente a los efectos de los rayos. La prevención y la mitigación de los riesgos asociados con las descargas atmosféricas son esenciales para garantizar la confiabilidad y la seguridad del suministro eléctrico en todo el mundo. 4 1.2 Planteamiento del problema Uno de los aspectos más importantes en la operación de los sistemas eléctricos de potencia es mantener la continuidad del servicio de energía eléctrica. La continuidad del servicio de energía eléctrica se ve afectada por varias causas entre otras por descargas atmosféricas en las líneas de transmisión aéreas de alta tensión. La importancia de un correcto dimensionamiento de una red eléctrica respecto a la coordinación de aislamiento radica en: Asegurar la continuidad del suministro de energía eléctrica que en cierta forma es una medida de la calidad del servicio, la cual se determina por la duración y frecuencia de las interrupciones por falla de funcionamiento del sistema y sus componentes. Una de las fallas más comunes es la ruptura dieléctrica de las cadenas de aislamiento en líneas de transmisión aéreas de alta tensión. Considerar el aumento de tensiones nominales de operación del sistema eléctrico, fundamentado en razones técnico - económicas de utilización óptima de materiales y espacio, ante el crecimiento ininterrumpido de la demanda y el necesario transporte de elevados bloques de potencia. La incidencia de los aislamientos en el costo de un equipo o instalación de alta tensión se hace más notable a mayores tensiones de servicio, de tal modo que tiende a transformarse en uno de los factores económicos limitativos más importante. Por ello es primordial dimensionar los aislamientos de equipos e instalaciones en la forma más ajustada posible, para lo cual se requiere un cabal conocimiento y sus condiciones de uso. 1.3 Objetivo General Analizar el comportamiento de las descargas atmosféricas que impactan en las líneas de transmisión de alta tensión, con el fin de reducir el índice de salidas a través de una correcta coordinación de aislamiento. 1.3.1 Objetivos Específicos 1. Analizar la incidencia y la frecuencia de descargas atmosféricas que impactan las líneas de transmisión de alta tensión en el Sistema Eléctrico Nacional (SEN). 2. Definir las características de las descargas atmosféricas: intensidad, duración y comportamiento. 3. Evaluar la integridad de los cables de guarda, cables conductores y las cadenas de aisladores ante una descarga atmosférica en una línea de transmisión. 5 4. Definir las medidas de protección empleadas en las líneas de transmisión para mitigar los efectos de las descargas atmosféricas. 5. Definir estrategias de protección y mitigación de descargas atmosféricas en líneas de transmisión de alta tensión. 6. Desarrollar una metodología para calcular la coordinación de aislamiento de líneas de transmisión de alta tensión. 7. Desarrollar la coordinación de aislamiento de una línea de transmisión de 400 kV. 1.4 Justificación 1. Garantía de la Seguridad de la Infraestructura Eléctrica: Las líneas de transmisión eléctrica son vitales para el suministro de energía a larga distancia. Las descargas atmosféricas, como los rayos, pueden causar daños y cortes de energía. La investigación en este campo permitirá desarrollar medidas de protección más efectivas para garantizar la continuidad del suministro eléctrico. 2. Protección de la Seguridad Pública: Las descargas atmosféricas representan un riesgo significativo para la seguridad pública al causar incendios, daños a equipos y peligro para las personas. Estudiar estas descargas es esencial para minimizar estos riesgos y proteger a la población. 3. Impacto en la Calidad de la Energía Eléctrica: Las descargas atmosféricas generan transitorios eléctricos que afectan la calidad de la energía. Esto puede dañar equipos sensibles y afectar la operación de sistemas eléctricos. La investigación contribuirá a desarrollar soluciones para mitigar estos efectos y mejorar la calidad de la energía eléctrica. 4. Estímulo a la Innovación Tecnológica: Con la creciente dependencia de la electricidad, se requieren avances tecnológicos para proteger las líneas de transmisión. La investigación en este campo impulsará la innovación en protección y resiliencia de infraestructuras eléctricas. 5. Afrontar el Impacto del Cambio Climático: 6 El cambio climático provoca un aumento en la frecuencia e intensidad de las tormentas eléctricas, aumentando el riesgo de descargas atmosféricas. Comprender mejor este fenómeno es crucial para adaptarse a las condiciones climáticas cambiantes y garantizar la confiabilidad de la red eléctrica. 1.5 Marco Teórico Las líneas de transmisión de alta tensión, fundamentales para la transmisión eficiente de energía eléctrica a largas distancias, están expuestas a diversos riesgos, entre ellos, las descargas atmosféricas, estas pueden tener consecuencias significativas en la integridad estructural de las líneas, en la confiabilidad del suministro eléctrico y en la seguridad de las personas y propiedades cercanas. En este marco teórico, se exploran los aspectos clave relacionados con el estudio de descargas atmosféricas en líneas de alta tensión. 1. Fundamentos de Descargas Atmosféricas. Las descargas atmosféricas son un fenómeno natural resultado de la ionización del aire, se manifiestan comúnmente como rayos. La formación de cargas eléctricas en la atmósfera y su liberación en una descarga eléctrica intensa son procesos que dependen de factores meteorológicos y geográficos. Comprender estos procesos son esencial para evaluar el riesgo del impacto en las líneas de alta tensión. 2. Línea de alta tensión. Una línea de alta tensión es una infraestructura eléctrica diseñada para la transmisión eficiente de grandes cantidades de energía eléctrica a largas distancias. Estas líneas son esenciales en el sistema de transmisión eléctrica, conectando las centrales generadoras con las subestaciones y redistribuyendo la electricidad a través de la red de distribución [11]. 3. Características de las descargas atmosféricas. Las características intrínsecas de las descargas atmosféricas, como la intensidad, la duración y su comportamiento juegan un papel crucial en su impacto en las líneas de alta tensión. La magnitud de la energía liberada y la velocidad de propagación de la onda electromagnética asociada son factores que determinan la intensidad del impacto en la infraestructura eléctrica. 4. Interacción de descargas atmosféricas con líneas de transmisión de alta tensión. La interacción entre las descargas atmosféricas y las líneas de alta tensión puede ocasionar daños estructurales, sobrecargas en los sistemas y la interrupción del suministro eléctrico. Factores como la altura de las torres, la geometría de los conductores y la presencia de dispositivos de protección influyen en la forma en que estas descargas afectan la red eléctrica. 5. Tecnologías de protección y mitigación. Las estrategias de protección son esenciales para reducir el impacto de las descargas atmosféricas en las líneas de transmisión de alta tensión. Se analizarán las tecnologías existentes, 7 como pararrayos, apantallamiento y sistemas de desconexión rápida, evaluando su eficacia y limitaciones. Además, se explorarán innovaciones tecnológicas y estrategias de diseño que puedan mejorar la resistencia de las líneas ante este tipo de eventos. Coordinación de aislamiento La coordinación de aislamiento consiste en seleccionar los niveles de tensión de aguante de la línea de transmisión, con relación a los niveles de sobretensión que se pueden presentar en un punto del sistema del cual forma parte. Con esto se puede reducir la probabilidad de que los esfuerzos dieléctricos puedan ocasionar falla del aislamiento. En el presente capítulo se describen los criterios generales de diseño a considerar en un estudio de coordinación de aislamiento. Descripción La coordinación de aislamiento consiste en [9]: 1. Seleccionar los niveles de tensión de aguante del equipo e instalación, con relación a los niveles de sobretensión que se pueden presentar en un punto del sistema del cual forman parte. 2. Reducir la probabilidad de que los esfuerzos dieléctricos puedan ocasionar falla del aislamiento, equipo de subestación y/o generación (a un nivel técnico y económicamente aceptable). 3. Impedir que se afecte la continuidad del servicio. Parámetros por considerar Los parámetros por considerar en un estudio de coordinación de aislamiento son principalmente [9]: 1. Voltaje nominal. 2. Altitud sobre el nivel del mar a la que se instalarán las estructuras. 3. Nivel de contaminación. 4. Grado de vandalismo de la zona por donde pasará la trayectoria. 5. Tipo de aislamiento a considerar. 8 Criterios generales de diseño Los criterios para determinar el aislamiento en una línea de transmisión se detallan a continuación [9]: 1. Determinar las distancias mínimas de aislamiento en aire, para lo que es necesario conocer las sobretensiones transitorias en la línea de transmisión. Sin embargo, como no es simple calcular dichas sobretensiones, un criterio aceptable es suponer las tensiones de aguante de las configuraciones de aislamiento iguales a los valores más altos de las tensiones de aguante normalizadas asociadas con la tensión máxima de equipo. 2. Considerar que en la República Mexicana las líneas de transmisión están instaladas desde el nivel del mar hasta 3000 m. Tradicionalmente se consideran los 1000 m como el primer escalón para la clasificación de altitudes. El establecimiento de una altitud de 2000 m como siguiente escalón, cubre la altitud del altiplano mexicano y, uno más a 2500 m, cubre varias de las ciudades más importantes del país. 3. Considerar que como tensión de aguante en sitio se puede utilizar la tensión máxima del sistema, igual a la tensión máxima del equipo. 4. Calcular la cantidad de aisladores, considerando un factor de corrección debido a la altitud y del tipo de aislador (estándar o niebla). Esto se debe a que la altitud también tiene influencia sobre la tensión de aguante de aisladores contaminados. 5. Determinar la cantidad de aisladores por contaminación que se deben instalar en las cadenas, para lo que es necesario conocer el nivel de contaminación de las zonas por donde pasará la trayectoria de la línea de transmisión y, con base en eso, aplicar el valor de la distancia de fuga especifica recomendada. 6. Seleccionar la cantidad de aisladores basándose en el criterio de soportar las tensiones de aguante de impulso de rayo y de maniobra (sólo para 400 kV), así como de las condiciones de contaminación. Distancias de aislamiento en aire A continuación, se muestran las distancias de aislamiento en aire, redondeadas para diseño [9]. 9 Tabla. Distancias de aislamiento en aire [9]. Distancias de aislamiento (𝒎) Tensión nominal Altitud (𝒎𝒔𝒏𝒎) del sistema (𝒌𝑽) 1000 2000 2500 3000 115 1.25 1.40 1.50 1.60 230 2.40 2.70 2.85 3.05 400* 3.25 3.65 3.90 4.15 * Configuración conductor ventana Tensiones y sobretensiones en sistemas de transmisión Las tensiones y sobretensiones que se presentan en los sistemas de transmisión se clasifican de la siguiente forma [19] [20]: 1. Tensión permanente: Tensión a la frecuencia del sistema que puede ser aplicada permanentemente sin que exista riesgo de falla o deterioro en el aislamiento. Asociada con la tensión máxima de operación del equipo o de la instalación. Ligeramente superior a la tensión nominal del sistema. 2. Sobretensiones temporales: Sobretensiones de duración relativamente larga (desde algunos milisegundos hasta varios segundos), de frecuencia igual o próxima a la frecuencia de operación del sistema. Producidas principalmente por rechazos de carga, fallas de fase a tierra o por fenómenos de resonancia y ferroresonancia. También conocidas como “sobretensiones de frecuencia fundamental” o “sobretensiones a la frecuencia del sistema”. Pueden ser no amortiguadas o débilmente amortiguadas y en algunos casos, pueden presentarse a una frecuencia distinta a la del sistema. 3. Sobretensiones de frente lento: 10 Tensiones de corta duración (sólo algunos milisegundos), en una gama de frecuencias que vería entre 2 y 20 𝑘𝐻𝑧. Originadas principalmente por maniobras de cierre y apertura de interruptores. también conocidas como “sobretensiones de maniobra”. Generalmente son oscilatorias. Frente con un tiempo de subida igual al valor cresta, comprendido entre 20 y 5000 𝜇𝑠, y un tiempo de cola igual o inferior a 20 𝑚𝑠. Su amplitud es superior a la tensión nominal del sistema. 4. Sobretensiones de frente rápido: Sobretensiones de duración muy corta, de fracciones de milisegundo. Originadas principalmente por descargas atmosféricas. También conocidas como “sobretensiones de rayo”. Frente con un tiempo de subida igual al valor de cresta, comprendido entre 0.1 y 20 𝜇𝑠, y un tiempo de cola igual o inferior a 300 𝜇𝑠. Su amplitud normalmente es muy superior a la tensión nominal del sistema. En la Figura 1 se muestra la clasificación de las tensiones y sobretensiones que se presentan en un sistema eléctrico, así́ como sus correspondientes pruebas asociadas. 11 Figura 1. Clasificación de tensiones y sobretensiones en un sistema eléctrico y sus pruebas asociadas [20]. [9] [19] [20] Comisión Federal de Electricidad. “Manual para diseño electromecánico de líneas de transmisión aéreas”. México, D.F. 2012. J. L. García. “Coordinación de aislamiento en redes eléctricas de alta tensión”. McGrawHil, España. 2008. Comisión Federal de Eéctricidad. “Manual de diseño electromecánico para subestaciones de transmisión”. México, D.F. 2017. 1.6 Hipótesis Se postula que existe una relación significativa entre los eventos de descargas atmosféricas en líneas de transmisión y los patrones climáticos, en particular, aquellos asociados con fenómenos atmosféricos extremos. 12 Se plantea la siguiente hipótesis: 1. La contaminación atmosférica, en términos de concentración de partículas y gases, puede desempeñar un papel importante en la generación y la intensidad de las descargas atmosféricas tales como caídas de tensión o de voltaje en las líneas. 1.7 Bosquejo del método 1. Marco Teórico El estudio explora los aspectos clave relacionados con las descargas atmosféricas en líneas de transmisión, incluyendo los fundamentos de las descargas atmosféricas y la coordinación de aislamiento. 2. Objetivos de la Investigación El estudio tiene como objetivo: Comprender el impacto de las descargas atmosféricas en la integridad estructural de las líneas, la confiabilidad del suministro eléctrico y la seguridad de las personas y propiedades cercanas. Desarrollar soluciones para mitigar los efectos de las descargas atmosféricas y mejorar la calidad de la energía eléctrica. Impulsar la innovación en protección y resiliencia de infraestructuras eléctricas. Adaptarse a las condiciones climáticas cambiantes y garantizar la confiabilidad de la red eléctrica en el contexto del cambio climático. 3. Coordinación de Aislamiento El estudio describe los criterios generales de diseño a considerar en un estudio de coordinación de aislamiento, que incluyen la selección de los niveles de tensión de aguante del equipo e instalación, la reducción de la probabilidad de falla del aislamiento, y la prevención de afectar la continuidad del servicio. 13 4. Parámetros Considerados Se detallan los parámetros a considerar en un estudio de coordinación de aislamiento, como el voltaje nominal, la altitud sobre el nivel del mar, el nivel de contaminación, el grado de vandalismo de la zona, y el tipo de aislamiento a considerar. 5. Clasificación de Sobretensiones El documento clasifica las sobretensiones en cuatro categorías: sobretensiones permanentes, sobretensiones temporales, sobretensiones de frente lento y sobretensiones de frente rápido, detallando sus características y origen. 14 2. Referencias [1]. Morales, D.F., & Callejas, L.M. (2017). Estudio de Susceptibilidad de Riesgo por Tormentas Geomagnéticas Sobre las Redes de Alta Tensión en Colombia [2]. Cedeño, L.G., & Quezada, F.R. (2016). Modelación matemática de ondas viajeras generadas por descargas atmosféricas en sistemas de distribución desarrollado en el laboratorio de alta tensión de la UPS-Sede Guayaquil.https://www.semanticscholar.org/paper/bb1a788d427da0dd9ef8aee0b60 c1b45c11cb675 [3]. Núñez, I.B. (2016). Instrumentación multicanal con implementación de técnicas de reducción de ruido y procesado en-línea para la detección de ultrasonidos: aplicación a la localización de emisiones acústicas de descargas parciales. D’Agosto, M. (2022). Coordinación de aislación a las descargas atmosféricas en instalaciones de alta tensión. [4]. Imaz, L. (2004). UNA VISION GENERAL SOBRE LOS'APAGONES'DEL VERANO DE 2003. DYNA, 79(4), 17-34. [5]. Nieto, J. A. El accidente nuclear de Fukushima-Daiichi, Japón. [6]. Romero, M. D. P. M. (2019). Título del trabajo: Propuesta de metodología y análisis de estrategias para la resiliencia de infraestructuras eléctricas. Proposal of methodology and analysis of strategies for resilience of electrical infrastructures. [7]. Morales, D.F., & Callejas, L.M. (2017). Estudio de Susceptibilidad de Riesgo por Tormentas Geomagnéticas Sobre las Redes de Alta Tensión en Colombia. [8]. Forero, A.F., & Guzmán, J.F. (2019). Modelado en COMSOL de la distribución de campo eléctrico en una cadena de aisladores de una línea de transmisión de energía típica de 115 kV producida por una descarga atmosférica considerando algunos contaminantes típicos en la superficie aislante. [9]. Pérez, C.V. (2016). Contribuciones al análisis y diseño de las líneas eléctricas de alta tensión. [10]. Díaz, E.Y., & Pérez, E.H. (2018). Sistema de apantallamiento contra descargas atmosféricas en campos abiertos. [11]. Pont Hortelano, A. L. (2015). Diseño y ajuste de protecciones de una línea de alta tensión (Doctoral dissertation, Universitat Politécnica de València). 15